Методика теплового расчета электронных приборов космического аппарата, работающих в открытом космосе

а) тепловой насос типа «подогрев или охлаждение». Способен работать только в одном режиме, что имеет существенный недостаток: при охлаждении помещений не обеспечивает горячей водой;

б) тепловой насос типа «подогрев и охлаждение». Способен работать одновременно в двух режимах, что дает преимущество перед первым типом, но имеет определенные недостатки, так как предусматривает установку дополнительного оборудования, что в свою очередь ведет к повышению цен на приобретение и установку теплового насоса.

Предложена схема кондиционирования помещения и снабжения горячей на основе ХМ, работающей в режиме теплового насоса круглый год (рис. 1). В данной схеме предусмотрен режим теплового насоса только на подогрев воды. Подогреваемая вода в теплообменном аппарате (конденсаторе ХМ) 2, поступает в накопительный бак 5, из которого через насосную станцию 6, обеспечивающую гидравлический режим, горячая вода распределяется в коллекторе 7, далее горячая вода поступает к потребителю 8, для зимнего периода горячая вода также поступает в доводчики 9 для обеспечения отопления помещений. Для охлаждения помещений используется холодная вода, добываемая со скважины (низкопотенциальное тепло для теплового насоса), подаваемая

в доводчики 9. В доводчике происходит поглощение тепла водой, после чего ее рационально подавать в испаритель 4 для уменьшения затрат энергии на подогрев воды.

Регулировка температуры воздуха в помещении осуществляется с помощью регулирующего оборудования 14, которое при изменении температуры датчика 15, изменяет скорость вращения вентилятора доводчика и расход теплоносителя 13.

Подача воздуха 12 в помещение может осуществляться как непосредственно через доводчик, так и отдельно в помещение с использованием вытесненной вентиляции.

Предложенная схема позволяет использовать горячую воду и получать охлажденный воздух, а также сократить потребляемую энергию ХМ на подогрев воды.

Библиографическая ссылка

1. Измайлова Н. Г., Кулаков Е. В., Хайцен М. Ю. Использование эжекционного доводчика для охлаждения помещения в теплый период года // Решетнев-ские чтения. 2012.

© Кулаков Е. В., 2013

УДК 629.78

Ф. В. Танасиенко, Ю. Н. Шевченко Научный руководитель - А. А. Кишкин Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, РАБОТАЮЩИХ В ОТКРЫТОМ КОСМОСЕ

Представлено описание методики проведения теплового расчёта электронных приборов (ЭП), работающих в открытом космосе.

Основой конструкции современных спутников является их негерметичное исполнение, т. е. все спутниковые приборы способны работать в открытом космосе. В условиях космического пространства передача тепла конвекцией исключается. Следовательно, рассматривается только передача тепла теплопроводностью и тепловое излучение.

Конструктивно приборы состоят из алюминиевых рамок. Состав рамки представлен на рисунке 1. Рамки между собой собираются в модули, скреплённые винтами. Каждая рамка также крепится винтами к кронштейнам. К основаниям рамок приклеены склейки плат из стеклотекстолита, на которых и располагаются ЭРИ.

Для ЭП, работающих в открытом космосе, характерными являются нестационарные режимы функционирования. Температуры в таких приборах непрерывно изменяются по времени под действием переменных внутренних и внешних тепловых потоках. В тепловых анализах ЭП выделяют два крайних случая: «Горячий» и «Холодный».

«Холодный» случай характеризуется следующими основными параметрами:

• минимальные внешние тепловые потоки;

• максимальное внутреннее тепловыделение прибора;

• значения оптических коэффициентов на начало срока активного существования.

«Горячий» случай характеризуется следующими основными параметрами:

• максимальные внешние тепловые потоки;

• минимальное внутреннее тепловыделение прибора;

• значения оптических коэффициентов на конец срока активного существования.

Тепловая математическая модель приборов состоит:

1) из геометрической модели, предназначенной:

- для расчета поглощенных внешних тепловых потоков;

- коэффициентов лучистого теплообмена между расчетными узлами;

Секция «Моделирование физико-механических и тепловых процессов»

- коэффициентов кондуктивного теплообмена между расчетными узлами;

2) из файла исходных данных для формирования системы дифференциальных уравнений теплового баланса расчетных узлов, содержащего:

- массивы поглощенных внешних тепловых потоков для заданных положений прибора на орбите;

- коэффициенты кондуктивного и лучистого теплообмена между расчетными узлами;

- внутренние тепловые потоки расчетных узлов;

- теплоемкости расчетных узлов.

Рис. 1

а1

ууууу

ч а2

2

'ч \ 'ч 'ч /

6 7

/п/, г п г

УУЧА^^

Г V ГЧ ГЧ-7Т

\-25_ аб

Т—гх

—ГГ.—;

/ 1 J

• (

ч / ч \ / ч / > ф <

8

Рис. 2. Расчетная схема ЭРИ: 1 - ЭРИ; 2 - посадочное место ЭРИ; 3-7 - расчетные узлы проводника печатной платы; 8 - основание рамки. Тепловые проводимости: а1 - между ЭРИ и посадочным местом ЭРИ через клей и подставки или излучением; а2 - между ЭРИ и проводником печатной платы по выводам ЭРИ; а3 - между расчетными узлами проводника печатной платы; а4 - между расчетными узлами проводника печатной платы и основанием рамки; а5 - между посадочным местом ЭРИ и основанием рамки через текстолит; а6 - между контактной площадкой ЭРИ

и основанием рамки через текстолит

1

5

Для проведения анализа нестационарного теплового режима приборов, использовался узловой метод конечных разностей, в котором конструкция прибора разбивается на ряд изометрических расчётных узлов. Для каждого узла записывается уравнение баланса

энергии. В результате получается система нелинейных уравнений теплового баланса следующего вида:

(Ч^=Х еВнеш +Х е-внур - т)+

Н-к 'СТ0

к

Для ее решения используются численные методы. В результате решения, с учетом начальных и граничных условий, получаем значения температур на посадочных местах ЭРИ.

Перегрев тепловыделяющих ЭРИ относительно их посадочных мест определяется исходя из установочных параметров ЭРИ по расчетной схеме, приведенной на рис. 2.

© Танасиенко Ф. В., Шевченко Ю. Н., 2013

УДК 658.26; 621.165.1

Т. А. Тасенко, И. О. Прокаев Научный руководитель - А. В. Делков Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ПРИМЕНЕНИЕ ПРЯМЫХ СИЛОВЫХ ЦИКЛОВ НА НИЗКОКИПЯЩИХ

РАБОЧИХ ТЕЛАХ

Оцениваются проблемы и перспективы утилизации низкопотенциальных тепловых источников. Рассматриваются цикл работы установки паротурбинной установки на низкокипящем рабочем теле.

Тенденции роста цен на энергоносители и сокращение их запасов определяют необходимость поиска путей разработки и эффективного использования новых и альтернативных источников энергии. По результатам анализа отечественной и зарубежной литературы возможно выделить 4 типа источников тепла, являющихся перспективными для освоения и требующих разработки специфического подхода к их использованию в качестве энергетических ресурсов [1; 2]:

геотермальное тепло;

тепловая мощность солнечного излучения;

тепловые выбросы промышленности;

тепловые потоки от двигателей и бортовой аппаратуры транспортных систем, в том числе автомобилей, морского транспорта, космических аппаратов.

Особенность вышеприведенных источников - наличие отличной от окружающей среды температуры, которой, впрочем, не достаточно для организации традиционных паросиловых циклов на водяном паре. Температурный напор, - разница между температурой теплового источника и окружающей средой, - для этих источников лежит в диапазоне 60-200 °С. В литературе такие источники получили название низкопотенциальных.

Перспективными и наиболее распространенными методами трансформации тепловой энергии в механическую и электрическую являются паросиловые циклы на турбомашинах. Такие циклы функционируют по принципу переноса тепла от источника к области теплосброса с выработкой энергии. При указанных температурных напорах паросиловой цикл возможно осуществить только с помощью специфических рабочих тел - органических (этанол, фреон, изобутан и т. д.).

Актуальность исследования и разработки вышеприведенных энергетических ресурсов заключена в том, что, не смотря на их перспективность, до сих пор отсутствуют адекватные и оптимальные методы их использования. Инженерные разработки подобных паротурбинных установок (ПТУ) на органических

рабочих телах (ОРТ), представленные на мировом рынке (Turboden (Italy), Infinity Turbine LLC (USA)), имеют эффективный КПД в диапазоне 10-12 % и ограниченные диапазоны применения. Эффективных методов проектирования и оптимизации подобных установок еще не разработано.

Принципиальная структурная схема ПТУ на ОРТ (рис. 1) включает в себя следующие элементы:

1. Турбина - используется активная осевая турбина для превращения энергии рабочего тела в работу.

2. Циркуляционный насос - предназначен для повышения давления рабочего тела и подачи его в испаритель.

3. Испаритель - предназначен для передачи тепла от источника к рабочему телу.

4. Конденсатор - предназначен для передачи тепла рабочего тела источнику холода и перевода рабочего тела в жидкую фазу.

5. Электрогенератор.

Структурная схема установки и цикл работы

Принцип работы установки следующий. Рабочее тело получает тепло от источника в испарителе, за счет чего он испаряется и нагревается. После этого рабочее тело поступает на турбину, где расширяется с отводом энергии. Давление и температура рабочего тела при этом снижаются. Далее рабочее тело поступает в конденсатор, где конденсируется за счет взаи-