Оценка эффективности профиля аксиальных тепловых труб малых космических аппаратов

В последние годы широкий диапазон практических задач возлагается на мини- и микроспутники. Малые массы таких аппаратов (50-300 кг) позволяют повысить эффективность решения данных задач за счет значительного удешевления доставки на рабочую орбиту. Обеспечение тепловых режимов модуля служебных систем и целевой аппаратуры таких спутников традиционно осуществляется с помощью тепловых труб (ТТ). Наибольшее распространение получили ТТ из алюминиевых профилей с аксиальными канавками (аксиальные ТТ). Следует отметить, что наличие достаточно эффективных конструкций ТТ является одним из немногих условий, возможность удовлетворения которых означает в принципе саму техническую возможность создания КА малого класса. Основным фактором, снижающим общую эффективность применения ТТ на мини- и особенно микроспутниках, является проблема весовой эффективности. Масса ТТ обусловлена конструктивными соображениями, т. е. их количество, форма и длина продиктованы системными требованиями по обеспечению теплового режима приборов КА. Это означает, что снижение их массы может быть осуществлено только за счет уменьшения площади поперечного сечения, что, в свою очередь, возможно только при условии применения максимально эффективных профилей ТТ.

В условиях, когда возможность унификации конструкции тепловых труб, устанавливаемых на разные мини- и микроспутники, минимальна, наличие метода, обеспечивающего надежные экспресс-прогноз величины теплопередающей способности проектируемой ТТ, дает преимущество в массе КА разработчику, владеющему таким методом.

С целью исследования эффективности различных вариантов профилей ТТ были обработаны экспериментальные данные по 25-ти различным ТТ [1; 2]. Все варианты профилей можно разбить на две группы - с осевыми канавками сложной (трапециеидальной, бульбовидной) формы (рис. 1, 2) и прямоугольной формы (рис. 3).

Задача исследования - определить зависимость показателя эффективности ТТ с аксиальными канавками от геометрических параметров их профиля для заданных теплофизических характеристик применяемой в ТТ рабочей среды - аммиака. В качестве показателя эффективности использовалась теплотранспортная способность, которая оценивалась по величине QL, где Q - значение отводимой с помощью ТТ тепловой энергии, L - эффективная длина ТТ. При оценке эффективности ТТ рассматривается как абсолютная эффективность ТТ, так и относительная весовая эффективность.

Критерии качества профиля аксиальной ТТ. Для оценки эффективности ТТ исследованы две зависимости: зависимость QL от площади канавок в поперечном сечении и условный скоростной критерий. Зависимость теп- лопередающей способности QL аммиачных ТТ от площади поперечного сечения капиллярной структуры F для двух групп профилей приведена на рис. 4. Значению F соответствует заштрихованная область на рис. 2, в, она определяется по чертежу профиля.

а                             б

А(10: /90

в

Рис. 1. Типы профилей ТТ с аксиальными канавками бульбовидной формы

а                           б

1.8

в

Рис. 2. Типы профилей ТТ с аксиальными канавками трапециеидальной формы

Рис. 3. Типы профилей ТТ с аксиальным канавками прямоугольной формы

Так, зависимость QL =j(F) разделяется на две ветви. Ветвь 1 объединила профили бульбовидного типа (рис. 1, в). Такие профили, в отличии от изображенных на рис. 1, а, обеспечивают высокое значение капиллярных сил и низкие гидравлические потери в капиллярной структуре.

Второй критерий сопоставляет две величины скорости. Первая величина рассчитывается исходя из величины Q для L = 1м, при известном г, т. е. значении скрытой теплоты парообразования рабочей жидкости - аммиака:

^_r=Q i /(r p F), (1) где Q₁ - значение отводимой тепловой мощности, приведенное к эффективной длине ТТ 1 м; г - скрытая теплота парообразования рабочего тела; р - плотность жидкого аммиака; F - расчетное значение площади капиллярной структуры в поперечном сечении ТТ.

Рис. 4. Зависимость QL от площади капиллярной структуры: 1 - точки экспериментальных результатов и квадратичной аппроксимации для профилей с аксиальными канавками бульбовидной формы; 2 - экспериментальные значения и их квадратичная аппроксимация для всех остальных типов профилей

Вторая величина скорости П_кс получается при приравнивании силы капиллярного давления Р_С к динамической составляющей давления рабочей жидкости, фактически - условного скоростного напора:

^1/2 ■ р^ кс =^

гдеРс вычисляется по формуле [3]

Pr=2dr , С       vr где о - сила поверхностного натяжения рабочей жидкости при расчетной температуре, г - эквивалентный радиус канавки.

Окончательно расчетная скорость капиллярного напора рассчитывается по формуле

4 σ

V KC Ч р '               ¹²¹

Зависимость (4) для 25-ти вариантов профилей ТТ отражена на рис. 5.

Так, наибольшая эффективность наблюдается у показанных профилей. Однако следует отметить, что попытка изготовления таких профилей ТТ с малым наружным диаметром (8 мм и менее) приводит к «вырождению» профиля, что выражается в уменьшении внутреннего диаметра ТТ и в снижении относительной площади капиллярной структуры. При значительном уменьшении наружного диаметра бульбовидного профиля ухудшает- ся соотношение капиллярных сил и сил гидравлического сопротивления. В таких условиях бульбовидный профиль по своим теплопередающим характеристикам начинает уступать трапециеидальному.

Рис. 5. Зависимость показателя скорости V от расчетной исп капиллярной скорости V_KC: 1 - результаты эксперимента и квадратичной аппроксимации для профилей с аксиальными канавками бульбовидной формы;

2 - остальных типов профилей ТТ

Для исследования эффективности профилей ТТ по двум критериям - веса и теплопередающей способности - была рассмотрена зависимость k = k(D), (рис. 6), где D - наружный диаметр цилиндрической части профиля ТТ, а к определяется в виде k-QL/(lvFp), где l - фактическая длина ТТ эффективной длиной 1м с учетом герметизации на торцах, м.

Рис. 6. Зависимость удельной теплопередающей способности

ТТ от наружного диаметра: 1 - профили с аксиальными канавками бульбовидной формы; 2 - профили с аксиальными канавками трапециедальной формы; 3 - все остальные типы профилей; 4 - предполагаемая зависимость кот D для профилей с аксиальными канавками бульбовидной формы

Приведенная методика позволит выбрать профили ТТ, которые при заданной тепловой нагрузке отличаются наименьшим весом.

Для оценки соответствия профиля ТТ применяемой рабочей среде и рабочему диапазону температур сформирован общий критерий эффективности:

Vr-^/L),           (3)

где

δ w

= A L

1/2 1/4 µ ₀ r_C

ρ 1/4 L 1/2 σ 1/2

И ’ - min

где 8 - толщина пограничного слоя; L - эффективная длина ТТ, А - коэффициент, зависимый от температуры, в условиях поставленной задачи может считаться постоянным, р - плотность жидкой фазы рабочего тела, ц _о - динамическая вязкость [4], w_min - минимальная ширина канавки профиля,_р - периметр канавок профиля.

Найденный критерий эффективности профиля ТТ сформирован, исходя из физических свойств рабочей жидкости и геометрических характеристик профиля ТТ. В качестве исходных предпосылок приняты следующие:

• -    падение величины отводимой тепловой мощности обусловлено потерями трения в осевых канавках, при этом течение в канавках представляет собой слившийся пограничный слой;

• -    характерная скорость течения в канавках обусловлена действием капиллярных сил (2);

• -    толщина пограничного слоя связана с эффективной длиной ТТ соотношением [5]

⁸= A , L     ρ uL

µ ₀

где 8 - толщина пограничного слоя, L - эффективная длина ТТ, А - коэффициент, зависимый от температуры, в условиях поставленной задачи может считаться постоянным, р - плотность жидкой фазы рабочего тела, и - характерная скорость жидкой фазы в капиллярной структуре (2), Д _о - динамическая вязкость [3];

• -    минимальная ширина канавки w_min пропорциональна толщине пограничного слоя;

• -    эффективная скорость движения рабочего тела по канавкам (1) рассчитывается исходя из величины Q для L - 1 м при известном r т. е. значении скрытой теплоты парообразования жидкой фазы - аммиака.

Зависимость (3) применительно к результатам испытаний 25-ти различных профилей ТТ показана на рис. 7

Рис. 7. Зависимость показателя эффективности от параметра dw/L: 1 - бульбовидные профили; 2 - прямоугольные и трапециеидальные; 3 - огибающие для наиболее эффективных профилей каждого типа

Результаты оценки эффективности профилей ТТ для общего случая разделены на две группы: для бульбовидных профилей - точки 1, для прямоугольных и трапецие-идальных - точки 2. Соответственно, с помощью зависимости (3) необходимые геометрические параметры профиля ТТ могут быть определены для общего случая с помощью верхней огибающей (рис. 7), для ТТ малого диаметра D (менее 10 мм) помощью верхней огибающей.

Итак, в ходе исследования получены критерии оценки эффективности профиля аксиальных ТТ, использующих в качестве рабочего тела аммиак, а также критерии оценки эффективности профиля аксиальной ТТ для общего случая, которые может быть использован и для проектирования профилей под любую рабочую среду в любых условиях.