Экспериментальные исследования и наземные применения тепловых труб.
, ,
, ,
ОАО “Информационные спутниковые системы” им. академика , Россия
В докладе рассмотрены технологии тепловых труб спутников связи, геодезии и навигации, которые возможно применять в народном хозяйстве в наземных условиях на примере технологии строительства дорог и промплощадок на мерзлых грунтах.
С этой целью разработана конструкция и изготовлены образцы мощных тепловых труб, пригодных для реализации этой технологии.
В лабораторных условиях проведены испытания тепловой трубы (термосифона) с внешним радиатором. Создана математическая модель процесса, проведены расчеты и вычислительные эксперименты.
Область применения разрабатываемой технологии:
· строительство дорог и промплощадок в районах Крайнего Севера с болотистыми и вечномерзлотными грунтами;
· укрепление опор нефте - и газопроводов, линий электропередач;
· укрепление фундаментов зданий.
В данном отчете приведены результаты экспериментов, оценок и математического моделирования, обосновывающие предлагаемую технологию строительства.
Применялись аналогичные методы экспериментальных исследований, как и для тепловых труб КА.
Для определения особенностей процесса теплопередачи в грунте, теплофизических свойств тепловой трубы (ТТ) и воздушного радиатора было проведено две серии экспериментов. В первой серии измерялось распределение температуры по радиусу в зависимости от подводимой мощности и влажности грунта. Во второй серии измерялся коэффициент теплоотдачи и пропускная тепловая мощность трубы.
Для экспериментальных измерений в грунте тепловая труба нижним концом закапывалась в бочку с сухим грунтом. Верхний конец с радиатором выводился из помещения лаборатории наружу через вентиляционное отверстие. Радиатор обдувался холодным потоком воздуха, с температурой около -10°С, при помощи вентилятора.
В бочке, в грунт, помещались термопары, в трех сечениях, по пять штук в каждом сечении, расположенных по радиусу на расстоянии 4 см друг от друга. Помимо термопар, для измерений температуры использовались 5 платиновых терморезисторов. Два из них закреплялись на концах трубы и использовались для определения эффективной тепловой мощности тепловой трубы. Два терморезистора измеряли температуру воздуха, один – внутри помещения, другой – снаружи. Пятый терморезистор измерял среднюю температуру пластин радиатора.
Все датчики заводились на измерительный комплекс LTC, состоящий из прецизионных генераторов тока для терморезисторов, и АЦП для оцифровки сигналов с термопар и терморезисторов. Результаты измерений сбрасывались на компьютер по последовательному порту для дальнейшей обработки и хранения на жестком диске.
На бочку, через изоляцию, наматывался нихромовый нагреватель с максимальной мощностью 100 Вт. После чего бочка и тепловая труба укрывалась теплоизоляцией, для уменьшения потерь тепла в помещении лаборатории. Сам эксперимент длился в течение суток, пока вся система не приходила в тепловое равновесие.
Методом наименьших квадратов по экспериментальным данным рассчитывалось соотношение Q/l. По найденному соотношению Q/l строилась кривая на графике с экспериментальными данными. Хорошее совпадение теории с экспериментом доказывает правильность наших предположений. Оценка теплопроводности грунта из соотношения Q/l приводит к значению l » 1,2 ÷ 1,5 Вт/(м×К). Аналогичные эксперименты с влажным грунтом приводят к значению l » 2,1 ÷ 2,6 Вт/(м×°К). Эти расчеты совпадают с данными в справочниках. Соотношение радиусов изотерм влажного и сухого грунта равно 1,75.
Средний перепад температуры на длине тепловой трубы в пять метров составляет 0,12 К. Какую-либо зависимость от мощности установить не удалось из-за большой погрешности в измерении такого маленького перепада. Вычисленная эффективная теплопроводность тепловой трубы составила 1,4×106 Вт/(м×К), что в 3600 раз выше теплопроводности меди.
Во второй части эксперимента, по определению теплофизических характеристик тепловой мощности трубы, в бочку, вместо грунта, была налита вода. Вода подогревалась стационарными кипятильниками. Время эксперимента задавалось таким, чтобы температура воды и, следовательно, температура тепловой трубы выходила на стационар. По полученным результатам рассчитывался максимальный перепад температур между тепловой трубой и наружным воздухом и, параллельно, между радиатором и наружным воздухом.
