Способ автоматического регулирования теплопровода радиатора на базе контурной тепловой трубы



Способ автоматического регулирования теплопровода радиатора на базе контурной тепловой трубы
Способ автоматического регулирования теплопровода радиатора на базе контурной тепловой трубы
Способ автоматического регулирования теплопровода радиатора на базе контурной тепловой трубы

 


Владельцы патента RU 2505770:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" (RU)

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к контурным тепловым трубам, и может быть использовано при создании регулируемых радиационных теплообменников космических аппаратов. В предлагаемом способе автоматического регулирования температуры тепловыделяющего оборудования КА посредством регулирования теплового потока в теплопроводе радиатора на базе контурной тепловой трубы, оснащенной микрохолодильником, причем рядом с радиатором устанавливают излучающую контрольную площадку, снабженную температурным датчиком, изолированную от радиатора в тепловом отношении и установленную в той же плоскости, а также имеющую такие же термооптические и удельные характеристики, что и радиатор. При выдаче команд на включение или выключение термоэлектрического микрохолодильника для запуска или останова циркуляции теплоносителя или увеличения термического сопротивления контурной тепловой трубы дополнительно анализируют температуру свободно излучающей контрольной площадки, по значению которой судят о наличии циркуляции теплоносителя в контурной тепловой трубе. Технический результат -повышение качества терморегулирования оборудования КА. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области теплотехники, в частности, к контурным тепловым трубам и может быть использовано при создании регулируемых радиационных теплообменников космических аппаратов.

Известен способ автоматического регулирования теплопровода на базе контурной тепловой трубы (КнТТ), предназначенный для решения одной из частных задач терморегулирования: подержания температуры охлаждаемого объекта в заданном диапазоне температур [1]. В данном устройстве используется термодатчик, установленный на паропроводе или на стенке испарителя, по показаниям которого блок автоматического управления изменяет мощность электронагревателя, установленного на компенсационной полости КнТТ. Увеличение подводимого к компенсационной полости теплового потока приводит к дополнительному блокированию конденсатора КнТТ жидким теплоносителем и, соответственно, снижению эффективности отвода тепла от охлаждаемого объекта к конденсатору КнТТ.

Данный способ имеет существенное ограничение, выраженное в том, что температура стока, куда отводится тепло от конденсатора КнТТ, должна быть постоянно ниже заданной температуры охлаждаемого объекта, а, кроме того, в указанном в [1] решении отсутствуют специальные средства, обеспечивающие гарантированный запуск КнТТ из положения покоя.

Известен способ принудительного запуска и остановки циркуляции теплоносителя в контурной тепловой трубе, предложенный в [2] с целью использования КнТТ в качестве теплового выключателя. Отрицательный тепловой импульс, создаваемый холодным спаем термоэлектрического микрохолодильника, контактирующим с компенсационной полостью, позволяет инициализировать циркуляцию теплоносителя в двухфазном контуре. При этом тепло, рассеиваемое горячим спаем термоэлектрического холодильника (ТЭМХ), можно отвести непосредственно в испаритель, что позволяет замкнуть тепловой баланс ТЭМХ в пределах теплопередающего устройства, сконструированного на базе КнТТ.

Недостатком или существенным ограничением решения [2] является отсутствие разработанного алгоритма автоматического управления ТЭМХ. Данным теплопередающим устройством фактически должен управлять оператор.

Достаточно большой опыт эксплуатации КнТТ в различных системах терморегулирования, в том числе в космосе, показал, что реальные условия эксплуатации таких устройств могут изменяться в широких пределах. Система терморегулирования может включать в себя несколько регулируемых теплопроводов переменной проводимости, радиаторы которых размещены на разных сторонах космического аппарата (КА) и находятся в различных тепловых условиях. Температура стока каких-то из них может превышать заданную температуру охлаждаемого оборудования из-за воздействия внешних тепловых потоков на радиатор, а температура испарителя отдельно взятого теплопровода может снижаться как в результате существования тепловой проводимости между испарителем и конденсатором, так и в силу наличия у охлаждаемого объекта других путей стока тепла, как регулируемых (входящих в ту же систему параллельно работающих аналогичных теплопроводов), так и нерегулируемых (теплоизоляция, элементы конструкции). Кроме того, для эффективного управления КА часто требуется иметь информацию не только о температуре охлаждаемого объекта, но и о режиме работы агрегатов системы терморегулирования, в частности - о передаваемых теплопроводами тепловых потоках и реальной хладопроизводительности радиаторов (на которую оказывают влияние теплопритоки, внешние потоки и тепловая инерция).

Анализ проблемы автоматического управления агрегатами системы терморегулирования работающими в переменных условиях приводит к выводу, что теплопровод радиатора на базе КнТТ должен иметь не только средства запуска и останова контура, но и средства, позволяющие однозначно определять реальное температурное состояния контура, в частности, существование (или отсутствие) циркуляции теплоносителя в контуре в каждый конкретный момент времени.

Кроме этого, необходимо учитывать специфику оснащения систем терморегулирования (например, в космических аппаратах) различными датчиками, показания которых могут быть использованы для решения этой задачи. Как правило, для применения в рассматриваемой задаче могут быть использованы только датчики температуры с относительно невысокой точностью измерения (порядка от +/-1 и до +/-3 град).

Пример системы терморегулирования, содержащей несколько по-разному ориентированных теплопроводов радиаторов на базе КнТТ, с помощью которых охлаждается один объект (термостатируемая платформа с приборами), рассмотрен в [3].

Близким по технической сущности решением, обеспечивающим отвод тепла от тепловыделяющего оборудования в окружающее пространство, является рассмотренный в [4] способ автоматического регулирования КнТТ с помощью ТЭМХ по показаниям температурного датчика. Здесь, для того чтобы поддерживать заданную температуру испарителя, ТЭМХ включают в обратной полярности, что позволяет нагревать компенсационную полость и, следовательно, увеличивать термическое сопротивление КнТТ, хотя причина по которой устанавливают ТЭМХ на КнТТ, прежде всего, связана с обеспечением принудительного запуска циркуляции теплоносителя (из состояния покоя).

Описанные в [2] и в [4] способы управления КнТТ при совместном их использовании уже нашли широкое применение для обеспечения теплового режима оборудования различных современных космических аппаратов.

Наиболее близким аналогом к заявленному способу автоматического регулирования, выбранным в качестве прототипа, является способ регулирования теплопровода радиатора на базе КнТТ, используемый в системе системы терморегулирования, которая описана в [3].

На Фиг.1 схематично показан теплопровод радиатора сконструированный на базе КнТТ, основными элементами которого являются: испаритель (1), радиатор (радиатор-конденсатор) (2), транспортные трубопроводы (3), ТЭМХ (4), компенсационная полость (5), температурные датчики (6), установленные на испарителе (ТИ) и радиаторе (ТР).

В показанном на Фиг.1 теплопроводе с помощью ТЭМХ может производиться как отрицательное, так и положительное тепловое воздействие на компенсационную полость испарителя, причем отрицательное воздействие применяется для принудительного старта циркуляции теплоносителя в контуре, а положительное - для замедления либо полной остановки циркуляции.

Такой теплопровод может решать задачу автоматического поддержания заданного температурного режима охлаждаемого оборудования в относительно простых условиях, при которых радиатор данного теплопровода всегда будет иметь необходимые условия для стока тепла (другими словами, радиатор должен быть способен сбросить максимально возможное тепловыделение оборудования плюс максимально возможные внешние теплопотоки, падающие на него, при условии непревышения испарителем заданного верхнего предела температуры). Для радиатора, отводящего тепло излучением в окружающее пространство, это означает следующее:

1) ,

2) ,

где:

σ - постоянная Стефана-Больцмана, [Вт/(м24)];

ε - степень черноты радиатора;

η - эффективность радиатора;

FP - площадь радиатора, [м];

Тф - абсолютная температура фона, [К];

ТИ - температура испарителя, [°С];

ТР - температура радиатора, [°С];

Tmax - максимально допустимая температура испарителя, [°С];

Qoб.max - максимальное тепловыделение охлаждаемого оборудования, [Вт],

Qвнеш.max - максимальный внешний тепловой поток на радиатор, [Вт];

ККнТТ.max - максимальная проводимость КнТТ, [Вт].

Для теплопровода радиатора на базе КТТ, если температура его испарителя ТИ превысит заданный верхний предел ТВ2 (например 35°С), а разность температур между испарителем и радиатором (ТИР), при этом, превышает некоторое заданное значение ΔТ1 (например 25 К), считается, что циркуляция в контуре отсутствует, и в этом случае подается автоматическая команда на запуск КнТТ путем включения ТЭМХ в прямой полярности (отрицательное тепловое воздействие на компенсационную полость).

Если же температура испарителя ТИ опустится ниже некоторого заданного значения TB1 (например 25°С), либо разность температур (ТИР) станет меньше некоторого заданного минимального значения ΔТ2 (например 15 К), это означает, что циркуляция теплоносителя уже началась, проводимость КнТТ увеличилась, и ТЭМХ можно выключить.

Если температура испарителя ТИ опустится ниже некоторого заданного значения ТН2, считается, что необходимо уменьшить тепловую приводимость КнТТ путем включения ТЭМХ в обратной полярности (дав некоторое начальное положительное тепловое воздействие на компенсационную полость). При дальнейшем понижении температуры испарителя ТИ до некоторого заданного значения ТН1, это положительное тепловое воздействие должно увеличиваться до максимального, что должно привести к полному прекращению циркуляции в контуре.

Недостатком описанного выше решения является то, что в более сложных условиях, т.е. при наличии у охлаждаемого объекта других путей стока тепла и/или при воздействии произвольных внешних тепловых потоков на радиатор/радиаторы, по температуре испарителя ТИ и разности температур между испарителем и конденсатором (ТИР) уже нельзя однозначно судить о наличии или отсутствии циркуляции в данном контуре, в результате чего могут выдаваться несоответствующие ситуации команды автоматического регулирования, которые приведут к неправильной работе системы терморегулирования.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение качества регулирования температуры и надежности системы, а также увеличения срока службы активных элементов регулирования теплопровода (ТЭМХ, реле и т.п.) посредством обеспечения определения существования циркуляции теплоносителя в регулируемом теплопроводе радиатора на базе КнТТ (например, при работе его в сложной системе терморегулирования, где имеется несколько теплопроводов радиаторов) в условиях переменных внешних тепловых воздействий на радиатор/радиаторы и оценки передаваемый данным теплопроводом теплового потока.

Указанные задачи обеспечиваются тем, что в известном способе автоматического регулирования температуры тепловыделяющего оборудования космического аппарата посредством регулирования теплового потока в теплопроводе радиатора на базе контурной тепловой трубы, содержащей испаритель, транспортные трубопроводы и конденсатор, интегрированный в радиатор, а также оснащенной контактирующим с компенсационной полостью и с испарителем термоэлектрическим микрохолодильником, при котором обеспечивают тепловой контакт тепловыделяющего оборудования с испарителем, а включение и выключение микрохолодильника осуществляют по показаниям температурных датчиков, установленных на испарителе и радиаторе, при этом для запуска контурной тепловой трубы термоэлектрический микрохолодильник включают в прямой полярности, обеспечивающей охлаждение компенсационной полости, а для останова циркуляции теплоносителя или увеличения термического сопротивления контурной тепловой трубы термоэлектрический микрохолодильник включают в обратной полярности, обеспечивающей нагрев компенсационной полости, новым является то, что рядом с радиатором устанавливают излучающую контрольную площадку, снабженную температурным датчиком, изолированную от радиатора в тепловом отношении и установленную в той же плоскости, а также имеющую такие же термооптические характеристики, удельную теплоемкость, отнесенную к излучающей поверхности, удельное термическое сопротивление теплоизоляции и элементов крепления, что и радиатор, причем при выдаче команд на включение или выключение термоэлектрического микрохолодильника для запуска или останова циркуляции теплоносителя или увеличения термического сопротивления контурной тепловой трубы дополнительно анализируют температуру свободно излучающей контрольной площадки, по значению которой судят о наличии циркуляции теплоносителя в контурной тепловой трубе.

Кроме того, управление ТЭМХ при наличии в системе излучающей контрольной площадки можно осуществлять следующим образом: если ТИВ2, ΔТ1>ΔТ1-1 и ΔТ2<ΔТ2-2 - включают термоэлектрический микрохолодильник в прямой полярности,

(данное условие означает, что испаритель перегрет, радиатор холодный, контрольная площадка холодная как радиатор, т.е. труба не работает и надо включить ТЭМХ для охлаждения компенсационной полости)

если ТИВ1 или ΔТ1<ΔТ1-2 или ΔТ2>ΔТ2-1 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из прямой полярности,

(здесь температура испарителя в норме, радиатор, по температуре, приблизился к испарителю, контрольная площадка осталась холодной, т.е. труба запустилась и ТЭМХ можно выключить)

если ТИ<TH1 и ΔТ2>ΔТ2-2 - включают термоэлектрическим микрохолодильник в обратной полярности,

(в этом условии испаритель становится холоднее, чем надо, а радиатор теплее контрольной площадки, т.е. труба работает, но ее надо «затормозить», для чего нагревать компенсационную полость с помощью ТЭМХ)

если ТИ>ΔТ2 или ΔТ2<ΔТ2-1 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из обратной полярности,

(здесь температура испарителя пришла в норму, либо радиатор и контрольная площадка имеют близкие температуры - труба снизила циркуляцию или прекратила совсем, т.е. ТЭМХ нагревавший компенсационную полость можно выключить) где:

ΔТ1ИР - разность температур испарителя и радиатора, град,

ΔТ2РКП - разность температур радиатора и контрольной площадки, град;

ТИ - температура испарителя, град.;

ТР - температура радиатора, град.;

ТКП - температура контрольной площадки, град.;

ТВ2 - верхний предел температуры испарителя, при достижении которого «снизу» может быть подана команда на включение термоэлектрического микрохолодильника в прямой полярности (т.е. на запуск теплопровода), град.;

ТВ1 - нижний предел температуры испарителя, при достижения которого «сверху» может быть подана команда на выключение термоэлектрического микрохолодильника из режима работы в прямой полярности (т.е. снятие команды на запуск теплопровода), град.;

при этом «снизу» - это при повышении температуры испарителя, «сверху» - при снижении температуры испарителя;

TH1 - нижний предел температуры испарителя, при достижении которого «сверху» может быть подана команда на включение термоэлектрического микрохолодильника в обратной полярности (т.е. для полной остановки циркуляции в контуре), град.;

ТН2 - верхний предел температуры испарителя, при достижении которого «снизу» может быть подана команда на выключение термоэлектрического микрохолодильника из режима работы в обратной полярности (т.е. снятие команды на останов теплопровода), град.;

ΔТ2-1 - максимально допустимое значение ΔТ2, показывающее наличие некоторой циркуляции в контурной тепловой трубе, т.е. подвод тепла от испарителя к радиатору, град.;

ΔТ2-2 - минимально допустимое значение ΔТ2, соответствующее условному равенству температур радиатора и контрольной площадки, с учетом погрешностей измерения температур термодатчиками, град.;

ΔТ1-1 - значение ΔТ1 при котором КнТТ обеспечивает отвод заданного теплового потока от испарителя, в случае если КнТТ работает, град;

(если перепад выше ΔТ1-1 очевидно КнТТ не работает)

ΔТ1-2 - значение ΔТ1, (ΔТ1-1>ΔТ1-2) соответствующее номинальному рабочему перепаду КнТТ, град;

(если перепад меньше ΔТ1-2 очевидно КнТТ работает)

Кроме того, используют несколько термодатчиков радиатора и несколько контрольных площадок, размещенных попарно равномерно по поверхности радиатора, а показания их температур осредняют.

Кроме того, регулирование температуры тепловыделяющего оборудования космического аппарата осуществляют с использованием нескольких радиаторов на базе контурных тепловых труб.

Кроме того, показания термодатчиков радиатора и контрольных площадок используются для определения величины передаваемого контурной тепловой трубой потока по формуле:

,

где: QKнTT - величина передаваемого контурной тепловой трубой потока, [Вт]

ТР.ср - средняя абсолютная температура радиатора, [К]

ТКП.ср - средняя абсолютная температура контрольных площадок, [К]

σ - постоянная Стефана-Больцмана, [Вт/(м24)]

ε - степень черноты радиатора, [-]

FP - площадь радиатора, [м2]

а затем полученное значение QKнTT используется для выдачи следующих команд управления:

если ТИВ2, и QКнТТ<Qзад2 - включают термоэлектрический микрохолодильник в прямой полярности,

если ТИ<TB1 или QКнТТ<Qзад1 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из прямой полярности,

если ТИ<TH1 и QКнТТ<Qзад2 включают термоэлектрический микрохолодильник в обратной полярности,

если ТИН2 или QКнТТ<Qзад2 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из обратной полярности,

где:

Qзад1 - заданный номинальный тепловой поток по контурной тепловой трубы (который соответствует рабочему состоянию контурной тепловой трубы и определяется из испытаний или расчетным путем).

Qзад2 - заданная минимальная тепловая нагрузка контурной тепловой трубы (соответствующая нулевому потоку по контурной тепловой трубе).

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

Фиг.1 - принципиальная схема теплопровода радиатора на базе одной контрольной площадкой;

Фиг.2 - принципиальная схема теплопровода радиатора на базе КнТТ с несколькими контрольными площадками;

Фиг.3 - температурная диаграмма функционирования теплопровода радиатора на базе КнТТ

Согласно предлагаемому изобретению для подачи команд на включение/выключение ТЭМХ анализируется не только температура испарителя и перепад температуры между испарителем и конденсатором, но и перепад температуры между радиатором и специальной контрольной площадкой (см. поз.7 Фиг.1). Дополнительные пояснения к определению и применению температурных перепадов дает Фиг.3

Контрольная площадка показывает, какую температуру в каждый момент должен иметь радиатор в случае отсутствия подвода к нему полезного теплового потока, т.е. при отсутствии циркуляции в контуре.

Чтобы температуры контрольной площадки и радиатора без нагрузки имели максимально близкие температуры при произвольно меняющихся внешних тепловых потоках, в том числе и в динамических режимах, контрольная площадка должна иметь те же термооптические характеристики, ту же удельную теплоемкость (отношение площади излучающей поверхности к теплоемкости) и то же удельное термическое сопротивление теплоизоляции (с внутренней стороны) и элементов крепления к космическому аппарату, что и радиатор, и не иметь с последним никаких тепловых связей.

В идеальном случае температуры радиатора и контрольной площадки равны при любом внешнем тепловом потоке, если по КнТТ к радиатору не поступает тепла, т.е. нет циркуляции в контуре. Для максимально оперативного управления, с целью снижения времени работы ТЭМХ в прямой полярности при запуске контура и повышения ресурса его работы, управляющий термодатчик на радиаторе и контрольную площадку необходимо располагать вблизи входа в радиатор паропровода КнТТ. Как только пар начнет поступать в конденсатор, увеличившаяся разность температур ΔТ2 покажет начало циркуляции и выключит ТЭМХ. В случае, если температура испарителя превысит верхний допустимый предел ТВ2, но разность температур ΔТ1 будет меньше ΔТ1-1, вторая разность температур ΔТ2 покажет, является ли она следствием наличия циркуляции теплоносителя в данном контуре или следствием действия на радиатор внешних потоков. В первом случае подавать команду на включение ТЭМХ в прямой полярности не требуется, так как контур уже работает, а дополнительная мощность от включенного ТЭМХ только увеличит и так высокую температуру испарителя. Во втором же случае ТЭМХ должен быть включен в прямой полярности для запуска теплопровода с целью отвода от испарителя некоторого количества тепла, соответствующего текущей располагаемой хладопроизводи-тельности радиатора.

В случае, если ТЭМХ работает в обратной полярности с целью уменьшения тепловой проводимости КнТТ, возможна ситуация, когда циркуляция в КнТТ уже прекратилась, а температура испарителя по-прежнему низка (например, при наличии у охлаждаемого объекта других путей отвода тепла). В этом случае определить момент полного прекращения циркуляции в КнТТ возможно только по снижению разности температур ΔТ2 ниже некоторого минимального значения. Если циркуляция остановлена - ТЭМХ необходимо выключить с целью сохранения его ресурса, а также предотвращения перегрева и осушения компенсационной полости.

Данный принцип управления ТЭМХ наиболее простой и универсальный, т.к. позволяет управлять работой КнТТ с минимально возможным и необходимым временем работы ТЭМХ (и его электропотреблением), вне зависимости от наличия в системе терморегулирования других путей отвода тепла от охлаждаемого объекта.

В ряде случаев может быть целесообразно плавное уменьшение проводимости КнТТ при снижении температуры испарителя, например, с целью уменьшения числа включений/выключений ТЭМХ. В этом случае принцип управления ТЭМХ при работе в обратной полярности может быть несколько видоизменен:

если ТИН2 и ΔТ2>ΔТ2.-2 - включить ТЭМХ в обратной полярности,

если ТИН2 или ΔТ2<ΔТ2-1 - выключить ТЭМХ из обратной полярности,

если ТН1ИН2 и ΔТ2>ΔТ2-2 - мощность ТЭМХ, работающего в обратной полярности, корректируют до достижения стабильной (постоянной) температуры ТИ внутри означенного диапазона.

(В дополнительном, третьем условии, температура испарителя находится внутри заданного диапазона ТН1ИН2, а радиатор - теплее контрольной площадки, т.е. КнТТ еще работает, но циркуляция уже снизилась. Теперь надо подобрать такую мощность нагрева компенсационной полости, чтобы оставаться внутри диапазона).

Подбор мощности ТЭМХ внутри указанного диапазона можно производить, автоматически, например, с помощью следующей зависимости:

где:

QТЭМХ - текущая мощность ТЭМХ [Вт],

Т - текущая температура испарителя [°С],

QТЭМХ.max - максимальная мощность ТЭМХ при работе в обратной полярности [Вт],

ТH2 - верхний предел температуры испарителя, при достижении которого «сверху» необходимо подать команду на «торможение» циркуляции в теплопроводе по соответствующему закону, а при достижении «снизу» - на снятие указанной команды [°С],

ТH1 - нижний предел температуры испарителя, при достижении которого «сверху» регулятор КнТТ включается на полную мощность для полной остановки циркуляции в контуре [°С].

Могут быть применены и другие известные законы управления, зависящие, например, от скорости изменения температур и/или иных параметров.

На практике, даже в неработающем радиаторе могут существовать определенные температурные градиенты, например из-за неравномерности распределения по его поверхности внешних теплопритоков или теплопритоков через внутреннюю теплоизоляцию, поэтому, в качестве критерия отсутствия циркуляции, вместо равенства температур следует принимать некоторую минимальную разность температур между радиатором и контрольной площадкой.

В самых трудных случаях (например, когда разные участки радиатора подвергаются локальному затенению соседними конструктивными элементами КА и/или воздействию локальных теплопритоков от них же), для повышения надежности необходимо использовать более одного термодатчика на радиаторе и более одной контрольной площадки, а показания установленных на них температурных датчиков осреднять (см. Фиг.2).

Размещение термодатчиков на радиаторе и на контрольных площадках следует производить попарно вблизи друг друга и, по возможности, равномерно по поверхности радиатора, чтобы получить максимально достоверную среднеинтегральную температуру радиатора и «фона».

Показания термодатчиков радиатора и контрольных площадок могут быть использованы для определения величины передаваемого контурной тепловой трубой потока по формуле:

,

где: QKнTT - величина передаваемого контурной тепловой трубой потока, [Вт]

ТР.ср - средняя абсолютная температура радиатора, [К]

ТКП.ср - средняя абсолютная температура контрольных площадок, [К]

σ - постоянная Стефана-Больцмана, [Вт/м24]

ε - степень черноты радиатора, [-]

FP - площадь радиатора, [м2]

Применительно к управлению системой терморегулирования полученное значение QKнТТ можно использовать для выдачи следующих команд управления:

если ТИВ2, и QКнТТ<Qзад2 - включают термоэлектрический микрохолодильник в прямой полярности,

если ТИ<TB1 или QКнТТ<Qзад1 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из прямой полярности,

если ТИ<TH1 и QКнТТ<Qзад2 включают термоэлектрический микрохолодильник в обратной полярности,

если ТИН2 или QКнТТ<Qзад2 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из обратной полярности,

где:

Qзад1 - заданный номинальный тепловой поток по контурной тепловой трубы (который соответствует рабочему состоянию контурной тепловой трубы и определяется из испытаний или расчетным путем).

Qзад2 - заданная минимальная тепловая нагрузка контурной тепловой трубы (соответствующая нулевому потоку по контурной тепловой трубе).

Предлагаемое изобретение позволит обеспечить рациональное, надежное и предсказуемое управление теплопроводами радиаторов на базе КнТТ, а также достаточно точно оценивать текущий тепловой поток, отводимый от оборудования по каждой КнТТ.

Полученное значение проходящего по каждой КнТТ теплового потока может быть использовано для выработки соответствующих команд управления не только в системе терморегулирования, но и в системе управления космическим аппаратом в целом (например, на включение или выключение бортового оборудования, изменения режима его работы, изменение ориентации в пространстве и т.д.).

Источники информации:

1. Патент на изобретение РФ №2062970 C1, F28D 15/06, 1993.

2. Авторское свидетельство СССР №1834470 A1, F28D 15/02, 1990.

3. D. Tulin, E. Kotlyarov, G. Serov and I. Tulin, The 4000W hybrid single - and two-phase thermal control system for payload and equipment of geostationary communication satellite. AIAA #772668, ICES-40, Barcelona, 2010.

4. M. Nikitkin, E. Kotlyarov, G. Serov, Basics of Loop Heat Pipe Temperature Control, ICES-1999, Denver, SAE paper 1999-01-2012.

1. Способ автоматического регулирования температуры тепловыделяющего оборудования космического аппарата посредством регулирования теплового потока в теплопроводе радиатора на базе контурной тепловой трубы, содержащей испаритель, транспортные трубопроводы и конденсатор, интегрированный в радиатор, а также оснащенной контактирующим с компенсационной полостью и с испарителем термоэлектрическим микрохолодильником, при котором обеспечивают тепловой контакт тепловыделяющего оборудования с испарителем, а включение и выключение микрохолодильника осуществляют по показаниям температурных датчиков, установленных на испарителе и радиаторе, при этом для запуска контурной тепловой трубы термоэлектрический микрохолодильник включают в прямой полярности, обеспечивающей охлаждение компенсационной полости, а для останова циркуляции теплоносителя или увеличения термического сопротивления контурной тепловой трубы термоэлектрический микрохолодильник включают в обратной полярности, обеспечивающей нагрев компенсационной полости,
отличающийся тем, что рядом с радиатором устанавливают излучающую контрольную площадку, снабженную температурным датчиком, изолированную от радиатора в тепловом отношении и установленную в той же плоскости, а также имеющую такие же термооптические характеристики, удельную теплоемкость, отнесенную к излучающей поверхности, удельное термическое сопротивление теплоизоляции и элементов крепления, что и радиатор, причем при выдаче команд на включение или выключение термоэлектрического микрохолодильника для запуска или останова циркуляции теплоносителя или увеличения термического сопротивления контурной тепловой трубы дополнительно анализируют температуру свободно излучающей контрольной площадки, по значению которой судят о наличии циркуляции теплоносителя в контурной тепловой трубе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что управление термоэлектрическим микрохолодильником осуществляют следующим образом:
если ТИВ2, ΔТ1>ΔТ1-1 и ΔТ2<ΔТ2-2 - включают термоэлектрический микрохолодильник в прямой полярности,
если ТИВ1, или ΔТ1<ΔТ1-2 и ΔТ2>ΔТ2-1 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из прямой полярности,
если ТИН1, и ΔТ1>ΔТ2-2 - включают термоэлектрический микрохолодильник в обратной полярности,
если ТИН2, или ΔТ2<ΔТ2-1 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из обратной полярности,
где ΔТ1ИР - разность температур испарителя и радиатора, град,
ΔТ2РКП - разность температур радиатора и контрольной площадки, град;
ТИ - температура испарителя, град;
ТР - температура радиатора, град;
ТКП - температура контрольной площадки, град;
ТВ2 - верхний предел температуры испарителя, при достижении которого «снизу» может быть подана команда на включение термоэлектрического микрохолодильника в прямой полярности (т.е. на запуск теплопровода), град;
ТВ1 - нижний предел температуры испарителя, при достижения которого «сверху» может быть подана команда на выключение термоэлектрического микрохолодильника из режима работы в прямой полярности (т.е. снятие команды на запуск теплопровода), град;
при этом «снизу» - это при повышении температуры испарителя, «сверху» - при снижении температуры испарителя;
ТН1 - нижний предел температуры испарителя, при достижении которого «сверху» может быть подана команда на включение термоэлектрического микрохолодильника в обратной полярности (т.е. для полной остановки циркуляции в контуре), град;
ТН2 - верхний предел температуры испарителя, при достижении которого «снизу» может быть подана команда на выключение термоэлектрического микрохолодильника из режима работы в обратной полярности (т.е. снятие команды на останов теплопровода), град;
ΔТ2-1 - максимально допустимое значение ΔТ2, показывающее наличие некоторой циркуляции в контурной тепловой трубе, т.е. подвод тепла от испарителя к радиатору, град;
ΔТ2-2 - минимально допустимое значение ΔТ2, соответствующее условному равенству температур радиатора и контрольной площадки, с учетом погрешностей измерения температур термодатчиками, град;
ΔТ1-1 - значение ΔТ1, при котором КнТТ обеспечивает отвод заданного теплового потока от испарителя, в случае, если КнТТ работает, град;
ΔТ1-2 - значение ΔТ1, (ΔТ1-1>ΔТ1-2), соответствующее номинальному рабочему перепаду КнТТ, град.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют несколько термодатчиков радиатора и несколько контрольных площадок, размещенных попарно равномерно по поверхности радиатора, а показания их температур осредняют.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулирование температуры тепловыделяющего оборудования космического аппарата осуществляют с использованием нескольких радиаторов на базе контурных тепловых труб.

5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что показания термодатчиков радиатора и контрольных площадок используются для определения величины передаваемого контурной тепловой трубой потока по формуле:
,
где QКнТТ - величина передаваемого контурной тепловой трубой потока, [Вт];
ТР.ср - средняя абсолютная температура радиатора, [К];
ТКП.ср - средняя абсолютная температура контрольных площадок, [К];
σ - постоянная Стефана-Больцмана, [Вт/(м2·К4)];
ε - степень черноты радиатора, [-];
FP - площадь радиатора, [м2];
а затем полученное значение QКнТТ используется для выдачи следующих команд управления:
если ТИВ2, и QКнТТ<Qзад2 - включают термоэлектрический микрохолодильник в прямой полярности,
если ТИ<TB1 или QКнТТ>Qзад1 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из прямой полярности,
если ТИ<TH1 и QКнТТ>Qзад2 - включают термоэлектрический микрохолодильник в обратной полярности,
если ТИН2 или QКнТТ<Qзад2 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из обратной полярности,
где Qзад1 - заданный номинальный тепловой поток по контурной тепловой трубе (который соответствует рабочему состоянию контурной тепловой трубы и определяется из испытаний или расчетным путем),
Qзад2 - заданная минимальная тепловая нагрузка контурной тепловой трубы (соответствующая нулевому потоку по контурной тепловой трубе).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к конструкции теплообменника, в частности к теплообменнику металлическому системы отопления помещения. Теплообменник содержит трубопровод в виде стенки сквозной полости с внешней поверхностью, концевыми участками, а также внешние элементы теплопередачи, которые закреплены к одному концевому участку.

Изобретение относится к технологии изготовления элементов системы отопления жилых и других зданий и может быть использовано при изготовлении теплообменника металлического системы отопления помещения.

Изобретение относится к технологии изготовления элементов системы отопления жилых и других зданий, в частности к способу изготовления теплообменника металлического системы отопления.

Изобретение относится к конструкции элементов системы отопления помещения, в частности к теплообменнику металлическому, и может быть использовано при изготовлении системы отопления помещения.

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к контурным тепловым трубам, и может быть использовано в различных системах терморегулирования, в том числе в составе космических аппаратов для эффективного отведения тепловых потоков от твердых тепловыделяющих поверхностей, а также от жидких и газообразных сред.
Изобретение относится к теплотехнике, а именно к способу заправки тепловой трубы теплоносителем. .

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для проведения процессов теплообмена, в частности, для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии.

Изобретение относится к космической технике и касается обеспечения требуемого температурного режима в герметичных отсеках космических аппаратов и станций. .

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к тепловым трубам плоского типа, которые могут применяться для охлаждения печатных плат электронной аппаратуры. .

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к передаче тепла тепловыми трубами. .

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано как испаритель-конденсатор в каскадных холодильных установках. В испарителе-конденсаторе каскадных холодильных машин, состоящем из двух змеевиковых теплообменников, соединенных между собой теплопроводящими ламелями, закрепленных на общей раме, змеевики погружены в промежуточный жидкий хладоноситель, содержащийся в теплоизолированном корпусе. Технический результат - аккумулирование холода в промежуточном хладоносителе, что позволяет исключить синхронный запуск компрессоров обеих ветвей каскада и уменьшить нагрузку на электрическую сеть и, соответственно, нагрузку на сами электродвигатели компрессоров в период выхода их на рабочий режим. 1 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках для кондиционеров. Предложен теплообменник, в котором в трубке подачи газа и трубке подачи жидкости блока соединительных трубок соединительные части, в которых алюминиевые трубки (первые трубки для хладагента: трубки для хладагента, сформированные из алюминия или алюминиевого сплава) и медные трубки (вторые трубки для хладагента: трубки для хладагента, сформированные из меди или медного сплава), соответственно, соединяются друг с другом, располагаются в ниспадающих частях алюминиевых трубок. Блок соединительных трубок покрывается теплоизоляционным материалом. Противокоррозионная обработка применяется к алюминиевым трубкам, покрытым теплоизоляционным материалом. Технический результат - устранение электролитической коррозии алюминия или алюминиевого сплава. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах аккумулирования теплоты и холода, например в антигравитационных бесфитильных тепловых трубах. Способ теплопередачи включает размещение в первом теплоносителе второго теплоносителя и теплообмен между ними. Используют второй теплоноситель, способный к перемещению в первом теплоносителе за счет уменьшения его объема при повышении температуры для переноса аккумулированной тепловой энергии. Аккумулируют тепловую энергию в вышерасположенной области первого теплоносителя с более высокой температурой, а переносят аккумулированную тепловую энергию в нижерасположенную область первого теплоносителя с более низкой температурой. При понижении температуры, второй теплоноситель из нижерасположенной области первого теплоносителя с более низкой температурой перемещают в вышерасположенную область первого теплоносителя с более высокой температурой за счет увеличения его объема. Средство переноса теплоты обычно выполнено с возможностью возвращения в зону приема теплоты теплоносителем при восстановлении равновесия между силами его плавучести и силами тяжести вследствие снижения температуры. Технический результат - повышение энергоэффективности. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для передачи теплоты на значительные расстояния при малом температурном напоре. Магнитожидкостная тепловая труба, содержащая частично заполненный теплоносителем - магнитной жидкостью герметичный цилиндрический корпус с зонами испарения, конденсации и транспортировки, фитиль, расположенный на внутренней стенке корпуса, артериальный электромагнитный фитиль, жестко закрепленный внутри корпуса соосно с ним, состоящий из защитного корпуса, корпуса-основы из немагнитного материала, предназначенного для намотки поверх него нескольких отделенных друг от друга диэлектрическими разделительными шайбами электромагнитных катушек индуктивности, создающих внутри артериального фитиля, соединяющего торцевые стенки магнитожидкостной тепловой трубы, размещенного в корпусе-основе, бегущее в сторону зоны испарения магнитное поле, направленное вдоль оси магнитожидкостной тепловой трубы. Изобретение позволяет уменьшить габариты электромагнитного фитиля и обеспечить большую технологичность при изготовлении магнитожидкостной тепловой трубы, работающей в любом положении при воздействии сил гравитации и в невесомости. 1 ил.

Изобретение относится к спиртовой промышленности, в частности к способу подогрева бражки теплом барды. Способ включает подачу бражки в трубное пространство одного кожухотрубного теплообменника, при этом барда направляется в трубные пучки другого теплообменника, а межтрубное пространство заполняется жидким теплоносителем (лютером, технологической водой, ректификованным спиртом), который постоянно перекачивается насосом из межтрубного пространства одного теплообменника в межтрубное пространство другого, обеспечивая непрерывную циркуляцию теплоносителя между двумя теплообменниками и теплообмен в системе барда-теплоноситель-бражка. Способ позволяет исключить засорение и необходимость чистки межтрубного пространства теплообменников. 1 ил., 1 табл., 2 пр.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках для микроприборов. Представлены материалы, компоненты и способы, направленные на изготовление и использование микромасштабных каналов с текучей средой для системы теплообмена, причем температура и поток текучей среды регулируется, частично, за счет макроскопической геометрии микромасштабного канала и подбора по меньшей мере части стенки микромасштабного канала и составляющих частиц, образующих текучую среду. Кроме того, стенка микромасштабного канала и составляющие частицы подобраны таким образом, чтобы столкновения между составляющими частицами и стенкой были, главным образом, зеркальными. Ускоряющие и замедляющие элементы, предусмотренные здесь, могут быть выполнены с микромасштабными каналами, которые могут описывать, как правило, спиральную траекторию. Технический результат - расширение арсенала средств. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в газоразделительных теплообменных установках, предназначенных для разделения газовых сред путем их охлаждения и дальнейшей конденсации или десублимации. Газоразделительная теплообменная установка содержит последовательно соединенные теплообменные кожухотрубные аппараты с гибкой мембраной, где в режиме противотока происходит теплообмен через стенки, и в которых предусмотрены два внутренних отсека, первый для более нагретой газовой среды, второй для более холодной газовой среды, разделенных гибкими непроницаемыми мембранами, предназначенными для выравнивания давления внутри аппаратов. Газоразделительная теплообменная установка также содержит компактную систему разделения газовых сред, включающую в себя механизмы для подвода и отвода охлажденной газовой смеси с необходимой температурой и давлением, и аппарат для разделения газовых сред. Вертикальные стенки образуют в аппарате для разделения газовых сред изолированные отделения, внутри которых за счет изменения давления последовательно сначала конденсируется или десублимируется газовая среда, затем данная среда испаряется или сублимируется. Конструктивная особенность аппарата для разделения газовых сред - наличие боковых линейных направляющих внутри аппарата, которые позволяют сохранить и прижать сконденсированную или десублимированную газовую среду к вертикальным стенкам аппарата. Технический результат - повышение эффективности теплопередачи и снижение габаритов установки. 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к теплопередающим устройствам, а именно к гравитационным тепловым трубам, предназначенным преимущественно для использования при охлаждении грунта. Гравитационная тепловая труба имеет герметичный корпус с зонами 2 испарения, транспортной зоной 3 и зоной 4 конденсации. Корпус, выполненный с возможностью заправки жидким теплоносителем, изготовлен в виде заглушенной сверху и снизу стальной цилиндрической трубы 1, которая в зоне 4 конденсации заключена в трубу 5 из алюминиевого сплава с ребрами 6. Особенностью гравитационной тепловой трубы является то, что стальная цилиндрическая труба 1 имеет полученный горячим цинкованием слой покрытия 11 на наружной и 13 на внутренней поверхности, и то, что в зоне 4 конденсации она плотно контактирует с внутренней поверхностью трубы 5 своей наружной поверхностью через слой 11. Достигаемый технический результат заключается в предотвращении блокирования верхней части зоны конденсации неконденсирующимися газами и устранении факторов, ухудшающих тепловой контакт между стальной цилиндрической трубой 1 в зоне конденсации и алюминиевым оребрением 6, а также в уменьшении нарастания влияния этих негативных факторов со временем. 2 ил.

Изобретение относится к энергетике. Теплообменная система, содержащая единое устройство, имеющее область, погруженную в ванну с текучей средой, и свободное пространство вверху, в котором накапливается паровая фаза, одну внутреннюю область, открытую с обоих концов, расположенную внутри упомянутого устройства и полностью погруженную в ванну с текучей средой, теплообменные поверхности, причём, по меньшей мере, одна из теплообменных поверхностей находится внутри данной внутренней области и, по меньшей мере, одна другая поверхность находится в пространстве между упомянутой внутренней областью и стенками данного устройства. Также представлен способ обмена и извлечения тепла, использующий теплообменную систему согласно изобретению. Изобретение позволяет упростить конструкцию, а также улучшить энергетическую эффективность и безопасность операций получения водорода и синтез-газа. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к устройству и способу кондиционирования при помощи активных охлаждающих балок. Система охлаждающих балок для кондиционируемого помещения содержит: блоки охлаждающих балок, каждый из которых имеет первый теплообменник и сконфигурирован для приема первичного воздуха и эжектирования первичного воздуха для создания потока вторичного воздуха через теплообменник; блок подготовки, сконфигурированный для передачи первичного воздуха из центрального блока подготовки воздуха на вход охлаждающей балки; и терминальные блоки, сконфигурированные для кондиционирования, с помощью второго теплообменника, потока рециркуляционного воздуха, извлекаемого из помещения, и смешивания кондиционированного воздуха с первичным воздухом из центрального блока подготовки воздуха для формирования объединенного потока первичного воздуха и передачи кондиционированного рециркуляционного воздуха на вход воздуха охлаждающей балки. Это позволяет повысить эффективность нагрева/охлаждения, а также увеличить разнообразие режимов работы системы кондиционирования. 7 н. и 17 з.п. ф-лы, 14 ил.
Наверх