Метод экспресс контроля тепловых труб

Метод экспресс контроля тепловых труб.

& A. Кочетков

Одесская Государственная Академия Холода, Украина

НПО им. Лавочкина, Россия

Введение.

Как всякий элемент системы терморегулирования тепловые трубы нуждаются в

контроле их качества. Особенно это важно для их применения на летательных

аппаратах и, прежде всего в космосе, для которых одна из основных проблем это – проблема обеспечения надежности в условиях длительной эксплуатации.

Так как ТТ предназначены для переноса тепла, то их основные параметры: передаваемая тепловая мощность, перепад температур, который соответствует ей при заданных условиях эксплуатации, время выхода на стационарный тепловой режим, термическое сопротивление, общий ресурс (длительность сохранения указанных параметров в времени) и некоторые другие, например, время выхода из состояния с замороженным теплоносителем, темп изменения полного термического сопротивления и т. п.

Указанные параметры определяющим образом зависят от состояния заправленного в ТТ теплоносителя (его массы, состава, распределения в корпусе), наличия инертных (неконденсируемых) газов или других примесей в паре, процессов их накопления (при наличии коррозии), состояния герметичности. Поэтому диагностирование наличия или отсутствия этих составляющих внутри ТТ, играет исключительную роль в обеспечении ее надежности.

Ранее было установлено, что наличие инертных газов в ТТ приводит к их негативному влиянию на ее полное термическое сопротивление (оно возрастает заметным образом и тем сильнее, чем выше их концентрация в паре). Столь же заметно влияние несоответствия массы теплоносителя заданому. Понятно, что нарушение герметичности, даже минимальное вообще недопустимо.

Технология изготовления и монтажа ТТ в штатные положения предполагает на многих этапах (если не на всех) специальный контроль названных параметров и их многократные проверки, но для обеспечения необходимого уровня надежности нужны проверки, когда ТТ уже установлены в штатные положения (т. е. находятся в составе изделия). Это требует разработки специальных методов и приемов. Ранее на эту тему были сделаны предложения и опробованы первые варианты подобных устройств, включая развитие расчетных моделей, экспериментирование и их проверку. Основная идея состояла в использовании свободных участков поверхности ТТ для установки на них неких источников теплового воздействия, фиксации температурного отклика на него и сравнении этого результата с некоторой, ранее найденной «эталонной» температурной характеристикой.

Постановка исследований и их обсуждение.

Физическое и математическое моделирование процессов происходящих в устройствах экспрессного контроля ТТ (ЭКРТТ). Основные положения теории расчета процессов ЭКРТТ развиваются на основе соответствующих тепловых моделей, иллюстрирующих физические принципы этого контроля. В качестве первых шагов рассматривались два основных метода ЭКРТТ. Первый использующий в качестве теплового воздействия: подвод тепла; второй, основанный на применении стока тепла. Схема тепловой модели для первого дана ниже на Рис.1.

Рис.1. Тепловая модель ЭКРТТ методом нагрева.

Здесь мощность источника подвода тепла, длины штатных зон подвода и отвода тепла, соответственно; расстояния от оси источника тепла до центров штатных зон; координаты расположения условных «границ паро – газовых пробок, запирающих штатные зоны», соответственно.

Основываясь на схеме тепловой модели, представленной на Рис.1, была развита следующая математическая модель нагрева ТТ от такого источника нагрева:

Пусть

Длина, масса, теплоемкость 1 погонного метра в зоне подвода тепла и тоже самое в зоне отвода тепла; длины участков корпуса ТТ, их удельные массы и удельные теплоемкости, которыми отделяется расположение источника тепла, относительно штатных зон, их площади внешней поверхности и периметр сечения корпуса ТТ, соответственно.

С учетом принятых обозначений, одномерное уравнение энергии как системы с сосредоточенными параметрами запишется следующим образом:

(1)
В этом уравнении слагаемое учитывает количество тепла, передаваемого от локального источника тепла мощностью по элементам конструкции тепловой трубы корпусу, испарителю и конденсатору. Слагаемое учитывает тепло, отдаваемое элементами тепловой трубы в окружающую среду.

Последние два слагаемых учитывают увеличение теплового потока, связанное с ростом ее активной в внешнем теплообмене части длины, т. е. с ростом длины участка, находящегося при температуре насыщения. Это обусловлено тем, что с ростом температуры вследствие действия источника нагрева, возрастает и давление насыщения и, как следствие: «сжимаются» парогазовые пробки, т. е. уменьшается зона занятая ими. Избыточная температура определяется как разность: между температурой насыщения и температурой окружающей среды. Обозначим: и

Тогда уравнение (1) представится в виде:

(2)

Уравнение (2) содержит 3 неизвестные переменные: . Пусть начальная концентрация газа в тепловой трубе равна: .

Принимаем, что неконденсирующийся газ, попавший в тепловую трубу, подчиняется уравнению состояния идеального газа. В начальный момент времени

когда и для объема газа можно записать:

(3). С учетом уравнения (3) и принимая неизменными массу газа и его газовую постоянную: , получим соотношение определяющее динамику движения фронтов парогазовых пробок: (4).

Из этого уравнения следует, что динамика перемещения парогазовых фронтов определяется следующим уравнением:

(5)

Производная определяется по уравнению состояния теплоносителя ТТ т. е. по уравнению Клайперона – Клаузиуса: (6). Здесь:

теплота испарения – конденсации, удельный объем пара и жидкости теплоносителя, соответственно. Для того, чтобы обеспечить замкнутость этой системы уравнений было введено следующее геометрическое условие:

(7) Физически это означало предположение, что при включении источника нагрева газовый объем распределяется внутри ТТ пропорционально длинам соответствующих участков. Таким образом, система уравнений описывающая температурное поле ТТ в условиях ЭКРТТ методом нагрева описывается системой уравнений (1), (5) и (7). В частном случае при отсутствии газа в ТТ, уравнение упрощается и принимает вид:

(8) Здесь отсутствуют множители и слагаемые, связанные с наличием парогазовых пробок. Это уравнение имеет аналитическое решение в виде: (9).

На рис.2 представлены результаты расчетов в сопоставлении с опытными данными для условий, когда мощность воздействия (нагрева) составляла 30Вт.

Рис.2 Сопоставление данных расчета (сплошная линия) с экспериментом (пунктир). Для условий действия ЭКРТТ методом нагрева.

Контроль качества тепловой трубы методом охлаждения (стоком тепла) приводит к другим физическим представлениям и моделям. Если в варианте с источником тепла (дополнительным нагревателем), поверхность под нагревателем образует зону испарения, а остальная часть ТТ является зоной конденсации, то в варианте с дополнительным источником охлаждения, поверхность под стоком тепла образует новую зону конденсации, а вся остальная часть поверхности ТТ становится зоной испарения.

Модели динамики ТТ с стоком тепла существенно различны в зависимости от соотношения объема, занятого «парогазовой пробкой» и объема остальной части ТТ . При в процессе охлаждения «участвует» вся ТТ. Если же то даже для очень малых масс газа наблюдаются существенные отличия в температурных характеристиках ТТ без газа и с газом. Т. е. чувствительность метода стока тепла весьма высока и поэтому его можно рекомендовать в первую очередь для диагностирования в ТТ малых количеств неконденсирующегося газа (НКГ). Наиболее удобно для практического применения в качестве стока тепла использование термоэлектрических охладителей (ТЭМО). Известно, что у ТЭМО существует определенная связь между его мощностью охлаждения и разностью температур между холодным и горячим спаями . Здесь температуры горячего (hot) и холодного (cold) спаев. Эта связь приближенно можно описать линейной формой:

(10). Тогда уравнение, описывающее динамику изменения температуры под стоком тепла (уравнение энергии для системы ЭКРТТ с стоком тепла) будет иметь вид:

(11). При фиксированных температурах окружающей среды (а значит и температуры насыщения) и горячего спая (). Решение уравнения (11) дает: Здесь коэффициент теплоотдачи от окружающей среды к внешней поверхности ТТ в процессе охлаждения, ее длина, периметр, температура окружающей среды и температура насыщения, соответственно. Для уравнение (11) приходит к виду: (12) Здесь (13).

Интегрирование уравнения (12) приводит к решению в следующем виде:

; переход к температуре холодного спая дает следующее

(14)

Анализ опытных данных показал, что модель расчета температурного поля при ЭКРТТ методом стока неудовлетворительно описывает опытные данные и нуждается в ее изменении. В первую очередь это связано с тем, что в модели не учитывается, что в разные интервалы времени наблюдался различный темп охлаждения. Поэтому, в качестве первого шага улучшения была предпринята попытка перехода от одностадийной модели, основой которой являлись уравнения (11 – 14) к двухстадийной. В последней, в отличии от указанной выше

предполагалось учитывать процесс распространения температурной волны, как первую стадию охлаждения. В этой стадии определяется время распространения температурной волны, а временем накопления неконденсирующегося газа в парогазовой пробке пренебрегается. Сущность этой модели такова:

В первой стадии температурной волны от стока тепла, интенсивность которого определяется статической характеристикой термоэлемента в виде:

(15), где плотность теплового стока под термоэлементом, его постоянные и разность температур, создаваемая им, соответственно.

Реальная картина распространения температурной волны имеет трехмерный характер в некоей многослойной системе, состоящей из металлической стенки ТТ, толщиной, теплопроводностью и температуропроводностью равных:

соответственно; капиллярной структуры с аналогичными своими параметрами: и газовой пробкой с своими таким же параметрами: . Переход более простой одномерной модели может быть реализован через введение некоторой эффективной среды с параметрами:

при следующих условиях: (16) и

(17). При , это типично для условий ЭКРТТ, так как если , то влиянием газа можно пренебречь. Это означает, что в такой замене на эффективную среду .

Это позволяет перейти к одномерной задаче нестационарной теплопроводности с следующими краевыми условиями:

(18)

Решение этой задачи интегральным методом дает следующий результат:

(19) Величина определяет положение фронта температурной волны в момент времени . Уравнение (18) справедливо при , поэтому параметры соответствующие этому условию могут рассматриваться как некие критерии наличия в ТТ НКГ.