Для управления температурным режимом космических кораблей и планет важно поддерживать эксплуатационные температуры для бортовых устройств и минимизировать колебания температуры при резких изменениях температуры окружающей среды. В рамках проекта Small Business Innovation Research (SBIR), финансируемого Центром космических полетов имени Маршалла НАСА, компания Advanced Cooling Technologies, Inc. (ACT) разработала новый , управляемый давлением пара, регулируемый коэффициент обзора и развертываемый радиатор , который пассивно работает с переменным геометрия (т. е. форм-фактор) и предлагает высокий динамический диапазон. Предлагаемое устройство использует двухфазный теплообмен и новые геометрические особенности, которые адаптивно (и обратимо) регулируют коэффициент обзора в ответ на внутреннее давление (давление паров рабочей жидкости) в радиаторе. Радиатор складывается в каплевидную форму, чтобы свести к минимуму коэффициент обзора в холодном состоянии, и открывается, чтобы максимизировать коэффициент обзора в горячем состоянии. Этому способствует динамическая обратная связь между внутренним давлением внутри полых изогнутых панелей радиатора и самой конструкцией радиатора, которая позволяет изменять форму в пределах предела упругости материала, что приводит к пассивному, реверсивному, развертываемому и переменному обзору. -факторный излучатель, обеспечивающий распространение тепла по двухфазному механизму и дальнейший отвод за счет излучения. Исследование осуществимости концепции во время разработки с использованием структурного и теплового моделирования подтвердило жизнеспособность концепции.

Рис. 1. Концептуальная схема двухфазного излучателя с переменным коэффициентом обзора, работающего от давления пара

Основная концепция двухфазного излучателя с переменным коэффициентом обзора (VVFTPR) проиллюстрирована на Рис. 1. Гибкая исполнительная секция ВВФТПР состоит из полой изогнутой панели, заполненной двухфазной рабочей жидкостью и герметизированной. Повышение температуры жидкости и, следовательно, давления пара приводит к повышению давления в полой изогнутой панели, что приводит к открытию конструкции радиатора, что увеличивает коэффициент обзора излучающих поверхностей.

На рис. 2 показана новая конструкция радиатора с изменяемой формой, сочетающая изменение формы в зависимости от температуры с высокой эффективной теплопроводностью за счет двухфазной теплопередачи. Радиатор непрерывно трансформируется между полностью закрытой и полностью открытой формой в зависимости от температуры изогнутой гибкой секции привода, управляемой давлением пара. Если температура окружающей среды радиатора увеличивается, температура источника тепла немного увеличивается для отвода тепла. Следовательно, давление паров рабочей жидкости во внутренней полости увеличивается, что приводит к раскрытию и распрямлению полой изогнутой панели, что приводит к открытию радиатора (т.е. увеличению коэффициента обзора). За счет увеличения коэффициента обзора снижается термическое сопротивление окружающей среде и минимизируется повышение температуры источника тепла. Когда температура радиатора снижается, процесс меняется на обратный, так как давление пара внутри полой панели уменьшается. Когда это происходит, упругие свойства материала оболочки вынуждают конструкцию возвращаться в закрытое положение (коэффициент обзора уменьшается, и поэтому тепловое сопротивление окружающей среде увеличивается, сводя к минимуму снижение температуры источника тепла). При промежуточных температурах радиатор частично открыт ⁴ . Чувствительность к давлению пара можно оптимизировать, регулируя такие геометрические параметры, как толщина стенки и размер полости (зазора).

⁴ Хотя этот аспект схож с концепцией радиатора на основе сплава с памятью формы (SMA). Радиаторы SMA на самом деле не используют двухфазную передачу тепла. Однако предлагаемый развертываемый радиатор с переменным коэффициентом обзора имеет динамическую обратную связь от внутреннего давления, вероятно, будет более эффективным (поскольку он использует двухфазный теплообмен) и предлагает высокий динамический диапазон.

Рис. 2. Иллюстрация результатов теплового структурного анализа, показывающая изменение формы и температуры радиатора при изменении температуры радиатора.

Компания ACT продемонстрировала адаптивный радиатор, работающий от давления пара, способный обеспечить динамический диапазон 37:1. На рис. 3 показан самый последний прототип VVFTPR компании ACT во время эксперимента, в котором тепло подавалось на внешнюю поверхность прототипа вдоль центральной линии через тепловую трубу, передающую тепло из удаленного места.

Рис. 3. Изображения, полученные во время экспериментальных испытаний прототипа № 5, на которых показан температурный график 9.0010

Предлагаемый радиатор с переменным коэффициентом обзора, управляемый давлением пара, имеет следующие характеристики:

• Высокий тепловой динамический диапазон: Моделирование и экспериментальная работа показывают, что предложенная геометрия может обеспечить тепловой динамический диапазон 37:1. Будущие конструкции могут дополнительно увеличить максимальный динамический диапазон, что приведет к улучшению теплового контроля. На рис. 4 показана теоретическая конструкция радиатора, способная обеспечить температурный диапазон изменения 37:1.
• Пассивный контроль температуры : Предлагаемая концепция использует давление паров для пассивного изменения формы радиатора без необходимости использования внешнего источника питания, оборудования или механизма управления.
• Fast Response : Предлагаемый радиатор трансформируется в зависимости от давления пара внутри полой изогнутой панели. Экспериментальные данные доказывают, что поведение радиатора с переменным коэффициентом обзора в основном зависит от температуры. Временная шкала морфинга из-за изменений давления пара почти мгновенна по сравнению с изменениями температуры материала стенки из-за проводимости и тепловой инерции.
• Реверсивный и высокопрочный : Предлагаемый радиатор меняет форму, используя деформацию материала в области упругости и меньше предела выносливости. Таким образом, деформация и результирующее изменение формы полностью обратимы.
• Высокая эффективность радиатора : Области радиатора, содержащие двухфазные жидкости, будут по существу изотермическими. VVFTPR может предложить повышение эффективности по сравнению с радиаторами с тепловыми трубками с 0,85 до почти единицы. В дальнейшей работе вся панель радиатора может быть построена как двухфазный объем со сверхвысокой эффективной теплопроводностью. Для предложенной базовой геометрии такое повышение эффективности позволит увеличить отвод тепла на 18 % при сохранении динамического диапазона 37:1.

Рис. 4. Изображения VVFTPR с развернутыми секциями, обеспечивающими почти нулевой коэффициент обзора в закрытом состоянии, с указанием коэффициента обзора при соответствующих значениях внутреннего давления

Для проектирования VVFTPR, способного поддерживать температуру корня радиатора в заданном диапазоне, было выполнено параметрическое структурное исследование для прогнозирования влияния параметров геометрического дизайна на взаимосвязь между внутренними поведение давления и открытия базовой линии VVFTPR. Двумерная (2D) структурная модель базового VVFTPR была создана для исследования возможности использования различных легкодоступных материалов для прототипирования на этапе I. 2D-модель использовалась для оценки деформации и угла раскрытия, которые могут быть достигнуты для VVFTPR. для заданных наборов расчетных параметров. При увеличении давления создается результирующая сила в направлении нормали к внешней стенке, которая уравновешивается жесткостью материала оболочки и сопротивлением изгибу.

Базовая модель использовалась для исследования взаимосвязи между внутренним давлением и углом раскрытия для простой геометрии VVFTPR, состоящей из двух концентрических цилиндрических стенок, которые должны быть соединены и герметизированы по всем внешним краям. Прямые панели радиатора будут прикреплены к концам ВВФТПР, а прямые секции радиатора будут касаться гибкой секции срабатывания с переменным коэффициентом обзора, которая состоит из цилиндрической оболочки с внешним углом θ, немного превышающим 360° в закрытая конфигурация. На рис. 5 показан двухмерный вид базовой геометрии. Чтобы уменьшить размер модели, прямой участок опускается, а модель разрезается пополам по центральной линии симметрии.

Рисунок 5. Слева: Вид базовой геометрии VVFTPR с показанным углом θ. Справа: Эскиз базовой геометрии для структурного исследования, иллюстрирующий ключевые параметры

ACT исследовал влияние различных параметров геометрии базовой линии VVFTPR на чувствительность открытия давление с помощью структурного моделирования в Abuqus Simulia. Чтобы исследовать влияние толщины стенки, толщина стенки варьировалась от 0,010 дюйма (0,254 мм) до 0,020 дюйма (0,508 мм) при неизменной остальной геометрии. Как и ожидалось, минимизация толщины стенки максимизирует чувствительность открытия радиатора при увеличении внутреннего давления в гибкой оболочке VVFTPR, поскольку конструкция менее жесткая. Эта взаимосвязь показана на рисунке 6. Чувствительность к открытию сильно зависит от толщины стенки.

Рисунок 6. Результирующие формы базовой линии VVFTPR в зависимости от давления и толщины стенки

На рисунке 6 показан угол раскрытия базовой линии VVFTPR с начальным большим радиусом 4 дюйма (10,2 см) при давлении до 5 фунтов на кв. дюйм (34,5 кПа). ) внутреннее давление. Для каждой толщины стенки существует предел деформации, при котором напряжение в материале стенки превышает предел текучести, вызывая пластическую деформацию. На рис. 7 показано угловое изменение большого радиуса 4 дюйма (10,2 см) VVFTPR по отношению к внутреннему давлению для различных значений толщины стенки. Представленные здесь результаты показывают только случаи, когда предел текучести не превышается, а деформация является упругой.

Рис. 7. Угловое изменение при различной толщине стенки для большого радиуса 4 дюйма (10,2 см) VVFTPR

В ходе структурного исследования было изучено влияние большого радиуса на поведение морфинга, чтобы получить представление о масштабируемости VVTPR для приложений требуются радиаторы меньшего и большего размера. Если все остальные параметры остаются постоянными, чувствительность морфинга увеличивается по мере увеличения большого радиуса. Чтобы сохранить эффективную чувствительность открытия при уменьшении большого радиуса, можно уменьшить толщину стенки. В структурном исследовании изучались значения большого радиуса в диапазоне от 1 дюйма (2,54 см) до 4 дюймов (10,16 см). Масштабирование до больших больших радиусов выполняется просто, потому что чувствительность морфинга увеличивается с увеличением большого радиуса. Однако по мере уменьшения большого радиуса до 1 дюйма (2,54 см) чувствительность к трансформации снижается, и может потребоваться уменьшение толщины стенки ниже значения, способного обеспечить структурную поддержку и сдерживание давления.

Рабочая жидкость внутри полых панелей выбирается на основе давления паров в требуемом температурном диапазоне для терморегуляции, а также ее совместимости с материалом радиатора. Во-первых, рабочее тело должно быть выбрано таким образом, чтобы давление паров при минимальной температуре приводило к закрытой форме радиатора, исходя из баланса сил с материалами стенок. Давление пара при максимальной температуре должно сдерживаться материалами оболочки при конфигурации формы с максимальным коэффициентом обзора без создания напряжения, превышающего предел усталости материала. Поведение открытия между этими двумя точками будет зависеть от кривой насыщения рабочей жидкостью между открытой и закрытой конфигурациями, следовательно, выбор рабочей жидкости можно использовать в качестве конструктивного параметра для оптимизации чувствительности или ограничения максимального диапазона открытия. До сих пор во время экспериментов в качестве рабочей жидкости использовался метанол, так что эксперименты можно было проводить в условиях окружающей атмосферы. Рабочие жидкости, совместимые с эластичными материалами оболочки, такими как нержавеющая сталь и титановые сплавы, являются подходящими жидкостями-кандидатами. В зависимости от диапазона регулирования температуры рабочими жидкостями могут быть пропилен, гидрофторуглероды, аммиак, спирты, ацетон или вода.

Был начат обзор материалов, которые можно использовать для изготовления оболочки VVFTPR, чтобы выбрать материал-кандидат для первоначального прототипирования и определить потенциальные материалы для будущего строительства. Структурные и термические свойства каждого материала являются важными факторами, поскольку материал должен выдерживать большую степень упругой деформации, демонстрировать длительный срок службы и легко обеспечивать передачу тепла от источника к радиатору. С точки зрения тепловых характеристик теплопроводность материала оболочки должна быть как можно выше.

Обычно большинство пружин изготавливают из стали из-за благоприятных упругих свойств и низкой стоимости. В частности, аустенитные нержавеющие стали, такие как 304, обычно используются для изготовления пружин. Кроме того, предел текучести материала оболочки должен быть высоким, чтобы наиболее деформированные области гибкой детали могли оставаться эластичными в течение всего срока службы детали. Нержавеющие стали и титановые сплавы имеют предел выносливости, при котором количество циклов деформации до того, как деталь выйдет из строя из-за усталости, практически бесконечно, если максимальное напряжение удерживается ниже определенного значения. Для достижения длительного срока службы изделия и обеспечения максимальной чувствительности VVFTPR к открытию отношение предела текучести к модулю упругости должно быть как можно выше.

Еще одним важным критерием выбора материала оболочки является совместимость с рабочими жидкостями. На протяжении многих лет компания ACT тестировала оболочку тепловых трубок и совместимость рабочей жидкости для многочисленных комбинаций материалов, чтобы квалифицировать совместимость материалов. В результате ACT располагает данными, подтверждающими или опровергающими совместимость некоторых рабочих жидкостей и материалов оболочки.

Для определения взаимосвязи между формой и излучением 3D-радиатора были созданы модели автоматизированного черчения (САПР) и использовалось программное обеспечение Autodesk CFD для расчета коэффициента обзора внутренних поверхностей относительно внешняя среда. На рисунке 8 показаны некоторые примеры геометрии САПР, используемые для расчета коэффициента обзора в зависимости от формы VVFTPR, где поверхности с изменяющейся площадью (грань в форме капли и грань с верхним отверстием) будут открыты для излучения в космос. Во время этого анализа минимальный коэффициент обзора, когда форма закрыта, может все еще быть относительно значительным, но будущие разработки будут включать в себя закрытие лица в форме слезы и минимизацию коэффициента обзора почти до нуля.

Рис. 8. Пример геометрии CAD для расчета коэффициента обзора в зависимости от формы VVFTPR

Для определения динамического диапазона VVFTPR были рассчитаны тепловые нагрузки для минимального и максимального коэффициента обзора. В обоих случаях излучение в космос, конечный поглотитель тепла, было явлением, ограничивающим передачу тепла. То есть работа двухфазного резонатора была способна передавать большую тепловую нагрузку, не выходя за пределы тепловых труб для двухфазного радиатора, чем могла излучаться (с аммиаком в качестве рабочего тела). Минимальный коэффициент обзора для излучающей (внутренней) части VVFTPR предполагался равным нулю, когда VVFTPR закрыт, поскольку для полного закрытия конструкции будет включен изолирующий экран. Коэффициент обзора отражающей поверхности (внешней поверхности) излучателя принимается равным единице как в закрытой, так и в открытой конфигурации, но излучательная способность этой поверхности мала. Потери тепла от радиатора рассчитываются для условия, когда радиатор имеет низкую температуру и находится в закрытом состоянии. Этот расчет показан в уравнении 1, 9.0010

(1)

где ε _{изоляция} — это коэффициент излучения снаружи, который принимается равным 0,03. η — эффективность ребер радиатора, которая принимается равной 0,85, поскольку тепловые трубки будут использоваться для равномерного распределения тепла по площади панелей радиатора. σ — постоянная Стефана-Больцмана. _{внешний} — это площадь внешней поверхности VVFTPR. Для этого наихудшего случая холодного состояния температура выживания радиатора T _{радиатора} принимается равной 233 K (-40 °C), а температура стока принимается равной 70 K (-203 °C). Вопрос 9Значение 0234 loss , рассчитанное при этих температурах, представляет собой минимальное количество тепла, которое должно выделяться для выживания электронных компонентов. Для расчета максимального рассеивания тепла радиатором, когда скорость тепловыделения и температура радиатора максимальны, используется уравнение 2,

(2)

, где Q _потери вычисляются при новых температурах. Максимально допустимая температура радиатора принимается равной 293 К (20 °С), а максимальная температура стока принимается равной 230 К (-43 °С). Коэффициент обзора, используемый для этого расчета, представляет собой максимальный коэффициент обзора, полученный во время структурного моделирования, который составляет 0,878.

(3)

Исходя из минимальной аварийной тепловой нагрузки и максимальной эксплуатационной тепловой нагрузки рассчитывается динамический диапазон.

В таблице 1 приведены температуры, использованные для расчета этих тепловых нагрузок, а также минимальные и максимальные тепловые нагрузки. Это означает, что VVFTPR может достичь динамического диапазона 37: 1, если он разработан с учетом ограничений по материалам и изготовлению, наложенных во время проекта SBIR Phase I. То есть геометрические параметры, такие как толщина стенки, используемые в этой теоретической оценке, ограничены текущими производственными возможностями ACT. Благодаря дополнительной разработке и усовершенствованию производственных процессов чувствительность открытия и, следовательно, динамический диапазон могут быть улучшены. Кроме того, следует отметить, что динамический диапазон 37:1 рассчитан консервативно, поскольку температура изолированной стороны радиатора считается равной температуре излучающей стороны радиатора. Если MLI используется на неизлучающей стороне, то внешняя поверхность MLI будет более холодной, и, следовательно, потери будут дополнительно снижены.

Таблица 1. Параметры миссии для определения динамического диапазона

Конструкция VVFTPR может быть изменена для достижения различных диапазонов регулирования температуры с различной геометрией, материалами и рабочими жидкостями. Например, описанная здесь базовая конструкция может использовать другую толщину стенок или другие геометрические параметры и использовать ту же рабочую жидкость, что приведет к созданию устройства с другой скоростью открытия по отношению к давлению пара и другим максимальным коэффициентом обзора. Это привело бы к другому диапазону регулирования температуры. В качестве альтернативы одна и та же конструкция может использоваться для разных рабочих жидкостей. Все конструкции требуют одинаковых диапазонов давления и приводят к одинаковым диапазонам коэффициента обзора, но диапазон температур насыщения каждой жидкости будет разным. Конструкцию VVFTPR можно оптимизировать для работы в желаемом диапазоне температур и тепловой мощности путем выбора соответствующей рабочей жидкости и геометрических параметров.

Рис. 9. Изображение прототипа в открытом положении во время эксперимента

Настольная демонстрация проверки концепции была завершена изготовлением прототипа VVFTPR и повышением давления во внутренней полости, чтобы открыть форму радиатора, тем самым увеличив обзор фактор. На рис. 10 показан прототип ВВФТПР в открытой конфигурации в ходе эксперимента, в котором тепло подавалось на внешнюю поверхность гибкого двухфазного участка вдоль осевой линии через тепловую трубу. На поверхность гибкого двухфазного участка устанавливались термопары, и в ходе экспериментов регистрировались температуры стенок. Датчики смещения располагались в центральной плоскости симметрии излучателя и прикреплялись к точкам на излучателе, чтобы во время экспериментов можно было измерить деформацию.

Записанные значения смещения были переведены в соответствующий угол между секциями плоской панели радиатора и использованы для расчета коэффициента обзора. В ходе экспериментальных испытаний было достигнуто раскрытие радиатора, соответствующее максимальным прогнозируемым деформациям посредством структурного моделирования, что доказывает, что значения коэффициента обзора до 0,88 достижимы для производимых в настоящее время конструкций VVFTPR.

Прототип, показанный на рис. 10, нагревался и охлаждался с различной скоростью во время измерения смещения. На рис. 11 показан график, на котором прототип нагревался и охлаждался в течение 4 циклов. Скорость нагрева составляла 100 Вт, затем 125 Вт, затем 175 Вт для последних двух циклов. В течение первых 3-х циклов прототип охлаждался за счет принудительной конвекции с помощью вентилятора, в течение последнего цикла прототип охлаждался за счет естественной конвекции. Также были проведены дополнительные циклы с мощностью 250 Вт, и воспроизводимое преобразование было продемонстрировано в течение 19 циклов.циклы.

Рис. 10. График температуры и смещения прототипа VVFTPR при различных скоростях нагрева и охлаждения

На рис. 3 показаны изображения, полученные во время эксперимента с использованием этого прототипа, с графиком зависимости температуры от времени в ходе эксперимента. Приблизительные температуры жидкости указаны на рисунке. В левой колонке показано открытие радиатора при повышении температуры, а в правой колонке показано закрытие радиатора при снижении температуры. На рис. 12 показано смещение в зависимости от температуры во время этих экспериментов по термоциклированию. Во всех экспериментах наблюдается некоторая степень гистерезиса при охлаждении по отношению к нагреву. Каждый эксперимент, в котором VVFTPR нагревается, показывает одно и то же смещение для любой заданной температуры, несмотря на различную скорость нагрева. Данные во время охлаждающей части циклов показывают более широкий диапазон смещения для любой температуры, но этот эффект может быть не связан со скоростью охлаждения. Предварительные эксперименты показывают, что форма излучателя является функцией температуры и не зависит от времени, не проявляя признаков запаздывания или мертвой зоны.

Рис. 11. График экспериментов по тепловому наддуву с различными скоростями нагрева и охлаждения

Авторы планируют продолжить разработку концепции и максимально использовать ее преимущества. На данный момент разумная осуществимость была продемонстрирована. Дальнейшие этапы полной разработки и оптимизации будут включать:

• Оценка пары материал/рабочая жидкость
• Оптимизация геометрии
• Сдерживание давления в плоской части
  • Стратегии сварки
• Оптимизация внутренней структуры фитиля

Эти шаги приведут к повышению чувствительности и, следовательно, увеличению диапазона изменения. Повышение развертываемости также будет результатом этого развития. На этом этапе может быть создано множество вариантов конструкции радиатора на основе предложенной концепции и интересных конфигураций. Например, на рис. 12 показана возможная конфигурация/архитектура радиатора, полностью основанная на разработанной концепции и состоящая из нескольких панелей радиатора и соединений, установленных последовательно. Тепло передается и распределяется двухфазным способом, если прямые участки полые с фитильной конструкцией (в дополнение к соединениям), или с помощью конденсатора LHP, если прямые участки сплошные. Авторы намерены разработать уменьшенную версию такой архитектуры в ближайшем будущем.

Рис. 12. Переменный коэффициент обзора и развертываемый радиатор с приводом от давления пара в конфигурации с несколькими панелями.

Инновационный прототип развертываемого двухфазного радиатора с переменным коэффициентом обзора был разработан и изготовлен компанией Advanced Cooling Technologies, Inc. В отличие от ранее разработанных материалов радиатора с изменяемой геометрией ⁶ , эффективно передавать тепло от корня радиатора к излучающим поверхностям, максимально увеличивая их эффективность. Форма радиатора постоянно меняется, чтобы регулировать коэффициент обзора в ответ на изменения температуры. Таким образом, при изменении тепловой нагрузки или условий теплоотвода достигается пассивный контроль температуры, и может поддерживаться диапазон контроля температуры. Результаты термического и структурного анализа были объединены, чтобы предсказать, что VVFTPR может достигать значений коэффициента обзора в диапазоне от почти нуля до 0,9.0, что соответствует коэффициенту теплового диапазона до 37:1 на основе современных технологий изготовления. Прототипы были изготовлены и экспериментально испытаны, чтобы продемонстрировать поведение VVFTPR при изменении формы и доказать, что конфигурации с максимальным коэффициентом обзора, оцененные во время структурного моделирования, осуществимы.

Этот проект финансируется Центром космических полетов Маршалла НАСА в рамках программы SBIR Phase II (контракт 80NSSC18P2187). Технический наблюдатель – Джефф Фармер. Особая признательность Филу Текстеру и Бренту Беннихоффу за помощь в изготовлении прототипа.

¹ Юхас, А. Дж., и Петерсон, Г. П., «Обзор усовершенствованных радиаторных технологий для систем энергоснабжения космических кораблей и управления температурным режимом», Технический меморандум НАСА 4555, июнь 1994 г.

2 ^{, R Schlitt 4 ., Бодендик Ф., Писториус А., Маркештейн Э., «Разработка углепластикового радиатора с интегрированной петлевой тепловой трубкой», Наука и технология тепловых труб – международный журнал, Vol. 2010. Т. 1. С. 261–277.}

³ Вишваната, Н. и Мурали, Т., «Новый механизм с использованием сплава с памятью формы для управления солнечными клапанами спутника INSAT-2E», Материалы 34-го симпозиума по аэрокосмическим механизмам, стр. 241–251, 2000 г.

⁴ Кристофер Л. Бертань, Рубик Б. Шет, Даррен Дж. Хартл и Джон Д. Уиткомб, «Моделирование связанных термомеханических взаимодействий в трансформирующихся радиаторах», Труды SPIE, том 9431, 94312F, 2015.

⁵ Дорожные карты технологий НАСА, TA 14: Системы терморегулирования, июль 2015 г.

⁶ К.Л. Бертань, Т.Дж. Cognata, R.B. Sheth, CE Dinsmore, D.J. Хартл, «Испытания и анализ концепции морфирующего радиатора для терморегулирования пилотируемых космических аппаратов», Прикладная теплотехника, 2017.

Мощность радиаторов отопления, как определить своими руками, инструкции, фото, видео

Грамотно устроенная система отопления обеспечит жилье необходимой температурой и будет комфортно во всех помещениях в любую погоду. Но чтобы передать тепло воздушному пространству жилых помещений, нужно знать необходимое количество батарей, не так ли?

Рассчитать это поможет расчет радиаторов отопления, основанный на расчетах тепловой мощности, требуемой от установленных отопительных приборов.

Вы когда-нибудь делали такой расчет и боитесь ошибиться? Мы поможем вам разобраться в формулах — в статье описан подробный алгоритм расчета, проанализированы значения отдельных коэффициентов, используемых в процессе расчета.

Чтобы вам было легче разобраться в тонкостях расчета, мы подобрали тематические фотографии и полезные видео, объясняющие принцип расчета мощности отопительных приборов.

Упрощенный расчет компенсации теплопотерь

Любые расчеты основаны на определенных принципах. В основу расчета необходимой тепловой мощности батарей положено понимание того, что исправно функционирующие отопительные приборы должны полностью компенсировать тепловые потери, возникающие при их эксплуатации из-за особенностей отапливаемых помещений.

Для жилых помещений, расположенных в хорошо утепленном доме, расположенном, в свою очередь, в умеренном климатическом поясе, в ряде случаев подходит упрощенный расчет компенсации тепловых утечек.

Для таких помещений расчеты производятся исходя из нормативной мощности 41 Вт, необходимой для обогрева 1 куб. м. жизненное пространство.

Чтобы тепловая энергия, выделяемая отопительными приборами, направлялась именно на обогрев помещений, необходимо утеплить стены, чердаки, окна и полы.

Формула для определения тепловой мощности радиаторов, необходимой для поддержания оптимальных условий проживания в помещении, выглядит следующим образом:

Q = 41 х V ,

Где V – объем отапливаемого помещения в кубометрах.

Полученный четырехзначный результат можно выразить в киловаттах, уменьшив его из расчета 1 кВт = 1000 Вт.

Параметры биметаллических радиаторов

Технические параметры биметаллических радиаторов определяются особенностями их конструкции – в легком алюминиевом корпусе находится стержень из антикоррозионной стали, контактирующий с теплоносителем. Такой симбиоз материалов придает им антикоррозийную стойкость, высокую теплоотдачу и малый вес, что облегчает процесс монтажа.

К недостаткам относятся высокая стоимость и низкая пропускная способность.

Исходя из вышеизложенного, полуметаллические радиаторы можно использовать для частных домов с индивидуальным отоплением, но только биметаллические радиаторы выдерживают агрессивную водную среду центрального отопления.

Конструктивно данные виды отопительных приборов делятся на монолитные и секционные. Первые в два раза превосходят второй тип по сроку службы и в три раза – по рабочему давлению. И, как следствие, по себестоимости.

Практический пример расчета тепловой мощности

Исходные данные:

1. Угловая комната без балкона на втором этаже двухэтажного шлакоблочного оштукатуренного дома в безветренном районе Западной Сибири.
2. Длина помещения 5,30 м Х ширина 4,30 м = площадь 22,79 кв.м.
3. Ширина окна 1,30 м Х высота 1,70 м = площадь 2,21 кв.м.
4. Высота помещения = 2,95 м.

Последовательность расчета:

Площадь помещения в кв.м.:	S = 22.79
Window orientation – south:	R = 1. 0
The number of external walls is two:	K = 1.2
Insulation of external walls – standard:	U = 1,0
Минимальная температура – до -35 ° C:	T = 1,3
Высота комнаты – до 3 м:	H = 1,05
H = 1,05
H = 1,05
W = 1,0
Рамы – стеклопакеты однокамерные:	G = 1,0
Соотношение площадей окна и комнаты – до 0,1:	Х =
Положение радиатора – под подоконником:	Y = 1,0
Радиатор. Q = 2 986 Вт

Ниже описано, как рассчитать количество секций радиатора и необходимое количество батарей. Он основан на полученных результатах тепловой мощности с учетом размеров предполагаемых мест установки отопительных приборов.

Вне зависимости от результата, в угловых комнатах рекомендуется оборудовать радиаторами не только оконные ниши. Батареи следует устанавливать у «глухих» наружных стен или у углов, подвергающихся наибольшему промерзанию из-за уличного холода.

Как выбрать чугунный радиатор

На какие характеристики радиатора следует обратить внимание при выборе радиаторов? В первую очередь это:

• рабочее давление;
• рабочая температура в системе отопления, для которой рассчитывается теплопередача;
• теплопередача;
• площадь теплоизлучающей поверхности;

Первый из этих показателей определяет давление теплоносителя (воды), которое может выдержать радиатор. Чем выше этажность здания, тем оно должно быть прочнее. Второй обозначает, с какой температурой теплоноситель подается в радиатор и с какой выходит из него для последующего нагрева. Итак, показатель 90/70 означает, что вода, поступающая в первую секцию батареи, имеет температуру 90 градусов. а на выходе из его последней секции – 70 град. Теплоотдача – это показатель, показывающий, сколько тепла отдает секция радиатора за время остывания воды в ней от температуры на входе (например, 90 градусов) до температуры на выходе (например, 70 градусов).

Отдельного внимания заслуживает форма приобретенного радиатора. Не секрет, что предубеждение к чугунным радиаторам вызвано тем, что при упоминании о них многие вспоминают знакомую с детства «чугунную гармошку» под окном. Ведь обычные «ребристые батареи» имеют небольшую и малоэффективную площадь нагрева (теплообмена) — так для сечения привычного радиатора МС 140 этот показатель равен 0,23 кв. м.

Часть тепла поступающего теплоносителя теряется «по пути» от котла отопления до батареи водяного отопления, т.к. для таких систем используются массивные подводящие трубы. Кроме того, для нагрева воды до расчетной температуры 90 градусов. подходят только паровые котлы большой мощности. Поэтому в частных домах система отопления иногда работает в более низком температурном режиме.

Однако современные чугунные радиаторы как по внешнему виду, так и, соответственно, по параметрам могут существенно отличаться от своих предшественников – «гармошек». Сохраняя все достоинства традиционных чугунных батарей, он лишен многих их недостатков. Итак, радиатор минского производства 1К60П-500 собран из плоских пластин, каждая из которых имеет небольшую площадь нагрева (0,116 м) и малую мощность (70 Вт).

Однако собранный из них радиатор, по сути, представляет собой нагревательную панель, которая (в отличие от ребристых батарей) дает широкий направленный тепловой поток. Другие производители также предоставляют широкий выбор таких радиаторов.

Преимущество современных чугунных радиаторов в том, что многие модели позволяют собирать батареи необходимой мощности из отдельных секций.

Радиаторы, реализуемые в сборе (например, Коннер, СТИ Бриз и некоторые другие) формируются из числа секций, предназначенных для помещений различной площади на основании инженерного расчета необходимой тепловой мощности на квадратный метр помещения.

Например, вы можете приобрести один радиатор по 4-6-8-12 секций или два радиатора по 4 (6, 8 секций).

Удельная тепловая мощность батарейных секций

Еще до выполнения общего расчета необходимой теплоотдачи отопительных приборов необходимо решить, какие сборно-разборные батареи из какого материала будут установлены в помещениях.

Выбор должен основываться на характеристиках системы отопления (внутреннее давление, температура теплоносителя). При этом не следует забывать о сильно различающейся стоимости покупаемой продукции.

О том, как правильно рассчитать необходимое количество разных батарей для отопления, пойдет речь далее.

При температуре теплоносителя 70°С стандартные 500 мм секции радиаторов из разнородных материалов имеют неодинаковую удельную теплоотдачу «q».

1. Чугун – q = 160 Вт (удельная мощность одной чугунной секции). Радиаторы из этого металла подходят для любой системы отопления.
2. Сталь – q = 85 Вт … Стальные трубчатые радиаторы выдерживают самые суровые условия эксплуатации. Их секции красивы своим металлическим блеском, но обладают наименьшим тепловыделением.
3. Алюминий – q=200 Ватт … Легкие, эстетичные алюминиевые радиаторы следует устанавливать только в автономных системах отопления, в которых давление менее 7 атмосфер. А вот по теплоотдаче их секции не имеют себе равных.
4. Биметалл – q = 180 Ватт … Внутренности биметаллических радиаторов изготовлены из стали, а теплоотводящая поверхность из алюминия. Эти батареи выдерживают все виды давления и температурных условий. Удельная тепловая мощность биметаллических секций также на высоте.

Приведенные значения q достаточно условны и используются для предварительных расчетов. Более точные цифры содержатся в паспортах приобретаемых отопительных приборов.

Галерея изображений

Фото из

Преимущества секционного принципа сборки

Основные правила сборки отопительных приборов

Устаревшие чугунные аккумуляторные секции

Окрашенные порошковой краской секции

Сколько весит1 медный радиатор ВАЗ 2?

Если на старой копейке сдох родной медный радиатор, найти ему замену очень просто и не так дорого, как если брать оригинальный.

Можно смело ставить алюминий для ВАЗ 2103-2106.

Лично я брал себе от производителя LUZAR.

Доработка требует докупки патрубков (квасцы 2106), прямых рук и пары часов свободного времени.

Экономия финансов в 2,5 раза.

Код Luzar LRc 0106

OEM номер: 2106-1301012

Размер сердечника, мм: 450*342*32

Где можно купить

Применяемость для А/М

Торговая марка – LRc – Luzar Radiator Cooler

Мы производим сотни моделей радиаторы охлаждения двигателя для автомобилей. Радиаторы выпускаются практически для любых марок на рынке России, различных модификаций, с различными моторами. Постоянно в разработке десятки новых радиаторов охлаждения – для популярных и новейших автомобилей, которые можно купить в России и СНГ.

Радиатор системы охлаждения Теплообменник, предотвращающий перегрев двигателя во время работы. Радиатор охлаждения рассеивает лишнее. подробнее

Торговая марка – LRc – Luzar Радиатор радиатора

Мы производим сотни моделей радиаторов охлаждения двигателя для автомобилей. Радиаторы выпускаются практически для любых марок на рынке России, различных модификаций, с различными моторами. Постоянно в разработке десятки новых радиаторов охлаждения – для популярных и новейших автомобилей, которые можно купить в России и СНГ.

Радиатор системы охлаждения Теплообменник, предотвращающий перегрев двигателя во время работы. Радиатор охлаждения отводит лишнее тепло от двигателя автомобиля через охлаждающую жидкость, тем самым поддерживая оптимальную температуру 85-100°С (в зависимости от марки автомобиля).

По конструкции радиаторы системы охлаждения от LUZAR

Радиаторы охлаждения LUZAR можно разделить на три типа:

1. Трубчато-пластинчатые, сборные, алюминиевые. Состоит из алюминиевых пластин, через которые проходят алюминиевые трубки, по которым течет теплоноситель. Баки на этих радиаторах сделаны из пластика. Радиаторы охлаждения этого типа применяются для двигателей с небольшой кубатурой – из-за ограниченной теплоотдачи; обладают наилучшей жесткостью и малым весом, а также наименьшей стоимостью.
2. Лента трубчатая несобранная (паяная), алюминий. Гофрированная алюминиевая лента в таком радиаторе расположена между алюминиевыми плоскоовальными трубками. Баки-радиаторы этого типа могут изготавливаться как из пластика (наиболее распространенный), так и из металла (чаще всего используются радиаторы охлаждения грузов). Конструкция неразборных (паянных) алюминиевых радиаторов охлаждения наиболее универсальна, что позволяет создавать теплообменники с любыми заданными характеристиками. Они имеют малый вес и относительно высокую жесткость, а также оптимальную цену.

Лента трубчатая несобранная (паяная), медно-латунная. Конструкция очень близка к типу 2 – между медными плоскоовальными трубками расположены медные полоски, сложенные в виде «гармошки». При этом баки на таких радиаторах охлаждения используются латунные — с целью повышения общей жесткости конструкции. Медные радиаторы охлаждения – благодаря высокой удельной теплоемкости меди – обладают отличными показателями теплопередачи. Однако из-за высокой мягкости меди радиаторы охлаждения из этого металла вынуждены иметь узкую трубку и большой интервал (шаг) между трубками, что накладывает серьезные ограничения на максимальную эффективность. Также у медных радиаторов самая высокая цена и самая низкая жесткость на кручение, изгиб и внутреннее давление. В связи с этим медные радиаторы «устарели» и постепенно выводятся из употребления.

LUZAR: гарантия и надежность

Мы производим радиаторы по стандартам производителей автомобилей. Каждое изделие проходит испытания избыточным давлением и агрессивной средой, чтобы на этапе производства можно было выявить коррозионные дефекты и протечки.

Продукция LUZAR распространяется через магазины-партнеры, список которых можно найти в разделе “Где купить?” Раздел. В этих же магазинах вы сможете обменять радиатор охлаждения, если обнаружите брак или несовместимость с вашим автомобилем.

На вопросы по производству, упаковке, установке и продаже отвечают наши менеджеры по телефону 8-800-555-8965.

Технические характеристики

Описание продукта

Группа по каталогу. Система охлаждения Двигатель

Описание Радиатор

ООО «Оренбургский радиатор» занимается разработкой, внедрением и серийным производством радиаторной продукции, которая используется в производстве тракторов, комбайнов, сельскохозяйственной техники, а также отечественных автомобилей и грузовики.

Уже среди выпускаемой продукции насчитывается более 500 наименований продукции, пользующейся спросом не только в России, но и за рубежом (в Белоруссии, Казахстане, Украине, Польше, Венгрии, Туркменистане, Германии, Чехии, Пакистане и др. .).

automotocity.com

Расчет количества секций радиатора

Сборно-разборные радиаторы из любого материала хороши тем, что отдельные секции можно складывать или убирать для достижения расчетной тепловой мощности.

Для определения необходимого количества «N» секций батарей из выбранного материала следуйте формуле:

N = Q/q ,

Где:

• Q = рассчитанная ранее необходимая тепловая мощность приборов для обогрева помещения,
• q = удельная тепловая мощность отдельной секции батарей, предназначенных для установки.

Рассчитав общее необходимое количество секций радиаторов в помещении, нужно понять, сколько батарей нужно установить. Этот расчет основан на сравнении размеров предполагаемых мест установки отопительных приборов и размеров батарей с учетом подачи.

элементы батареи соединяются ниппелями с разнонаправленной наружной резьбой с помощью радиаторного ключа, при этом в места соединений устанавливаются прокладки

Для предварительных расчетов можно вооружиться данными о ширине секций разных радиаторов:

• чугун = 93 мм,
• алюминий = 80 мм,
• биметалл = 82 мм.

При изготовлении сборно-разборных радиаторов из стальных труб производители не придерживаются определенных стандартов. Если вы хотите поставить такие аккумуляторы, следует подойти к вопросу индивидуально.

Вы также можете воспользоваться нашим бесплатным онлайн калькулятором для расчета количества секций:

Увеличенный радиатор охлаждения – DRIVE2

Всем привет, наконец-то мы воплотили нашу старую идею в металле, а точнее в меди. Увеличенный радиатор охлаждения.

Полный размер

В интернете, да и просто в личном общении много людей, которые жалуются на нагрев двигателей, особенно в горах. В основном это владельцы автомобилей «автомат» с разными моторами.

Решено начать с изготовления самого большого радиатора с тремя рядами сот (есть вариант с двумя) толщиной 70 мм по сотам (двухрядный имеет толщину 46 мм по сотам)

стандартный алюминий толщиной 35 мм в сотах.

Были опасения, что такая толщина не влезет в стандартный моторный отсек, но как оказалось все влезает, не без усилий конечно.

Ставим этот радиатор на патруль в комплектации с двигателем тд42т и АКПП. Технические данные автомобиля Лифт 2″, шины 35″ м/т, главные пары в редукторах 4.375.

Рассказ в мелких деталях здесь особого смысла не имеет, т.к. для товара будет составлена ​​своего рода инструкция по установке с фото и отправлена ​​тем, кто собирается устанавливать наш товар

Короче, нужно внимательно, без отслаивания, а совсем чуть-чуть, подогните нижние края “брызговиков” (арок) в районе нижней части радиатора, подрежьте диффузор в нескольких местах (если он сохранился) и подрежьте верхнюю и нижние патрубки охлаждения для компенсации толщины радиатора (в случае с двухрядным радиатором все проще).

Также мы провели тесты, повесив датчики температуры на входе и выходе радиатора, чтобы иметь объективную оценку происходящего и понять, стоит ли игра выделки и потраченных денег. И конечно оба взвешивали))). Стандартный радиатор имеет вес 8 кг. Медный 23 кг.

Для начала замерили работу штатного радиатора, затем увеличенного медного.

И так первое фото, это работа штатного радиатора, температура воздуха на улице минус 5

Второе фото, температура медного радиатора, температура наружного воздуха 0, к машине прицеплен прицеп с грузом 400 кг.

Полноразмерный

Равномерное движение на скорости 60-80 Стандартный радиатор.

Полноразмерный

Плавный ход на скоростях 60-80 Увеличенный радиатор

Полные

www.drive2.ru

Повышение эффективности теплообмена при обогреве помещения радиатором

3 900 наружная стена также интенсивно нагревается в области за радиатором. Это приводит к дополнительным ненужным потерям тепла.

Для повышения эффективности отвода тепла от радиатора предлагается экранировать обогреватель с наружной стены теплоотражающим экраном.

На рынке представлены разнообразные современные теплоизоляционные материалы с фольгированной теплоотражающей поверхностью. Фольга предохраняет подогретый батареей теплый воздух от соприкосновения с холодной стеной и направляет его внутрь помещения.

Для корректной работы границы установленного отражателя должны превышать габариты излучателя и выступать на 2-3 см с каждой стороны. Зазор между утеплителем и поверхностью теплозащиты должен быть 3-5 см.

Для изготовления теплоотражающего экрана можно посоветовать Изоспан, Пенофол, Алуф. Из купленного рулона вырезается прямоугольник необходимых размеров и закрепляется на стене в месте установки радиатора.

Экран, отражающий тепло обогревателя, лучше всего крепить к стене силиконовым клеем или жидкими гвоздями

Рекомендуется отделять лист утеплителя от наружной стены с небольшим воздушным зазором, например, с помощью тонкой пластиковой решетки.

Если отражатель соединяется из нескольких кусков изоляционного материала, то стыки со стороны фольги должны быть проклеены металлизированным скотчем.

Радиаторы стальные

Отопительные приборы из стали представлены на рынке в широком ассортименте. Конструктивно они делятся на панельные и трубчатые.

В первом случае панель крепится на стену или на пол. Каждая часть состоит из двух сварных пластин, между которыми циркулирует теплоноситель. Все элементы соединяются точечной сваркой. Такая конструкция значительно увеличивает теплоотдачу. Для увеличения этого показателя несколько панелей соединяют между собой, но в этом случае батарея становится очень тяжелой – радиатор из трех панелей по весу равен чугуну.

Во втором случае конструкция состоит из нижнего и верхнего коллекторов, соединенных друг с другом вертикальными трубами. Один такой элемент может содержать максимум шесть трубок. Для увеличения поверхности радиатора несколько секций можно соединить вместе.

Оба типа являются прочными нагревательными приборами с хорошей теплоотдачей.

Радиаторы трубчатые стальные по конструктивному назначению могут изготавливаться в виде перегородок, лестничных ограждений, рам зеркал.

Таблица теплопередачи стальных радиаторов отопления размещена далее в статье.

Сильные и слабые стороны алюминиевых радиаторов

Перечень положительных характеристик алюминиевых батарей:

1. Экономичность.
2. Легкий вес. То, сколько весит алюминиевая батарея, значительно упрощает установку и снятие устройств.
3. Возможность регулировки температуры.
4. Самый высокий КПД среди всех бытовых радиаторных обогревателей.
5. Презентабельный внешний вид, позволяющий использовать алюминиевые радиаторы как в обычных домах, так и в престижных заведениях.

Слабые стороны:

1. Слабость стыковых швов (иногда возникают протечки).
2. Неравномерное распределение тепла: в основном аккумулируется ребристой частью профилей.
3. Слабая конвекционная циркуляция.
4. Малый срок службы. Те же чугунные батареи служат гораздо дольше, чем 15-20 лет.
5. Могут образовываться внутренние газы.
6. Чрезмерная реакционная способность алюминия. Это самый большой недостаток данного типа батарей, из-за которого наличие малейших примесей в теплоносителе может спровоцировать разрушительные процессы на внутренних стенках.
7. Низкая устойчивость к перепадам давления.

Учитывая все эти недостатки, сфера применения алюминиевых радиаторов ограничена автономными системами отопления, которые имеют стабильно низкое давление и химически нейтральный теплоноситель. Что касается установки батарей такого типа в обычных квартирах, то на это есть даже специальный запрет со стороны соответствующих органов.

Радиатор отопления, сравнение нескольких типов

для каждого из них есть определенные условия

1. Секционный чугунный радиатор.
2. Алюминиевый нагреватель.
3. Биметаллические секционные нагревательные приборы.

Сравним разные типы отопительных приборов по параметрам, влияющим на их выбор и установку:

• Величина тепловой мощности отопительного прибора.
• При каком рабочем давлении. происходит эффективная работа устройства.
• Требуемое давление для опрессовки секций батареи.
• Занимаемый объем теплоносителя одной секцией.
• Каков вес обогревателя.

Следует отметить, что в процессе сравнения не следует учитывать максимальную температуру теплоносителя; высокий показатель этого значения позволяет использовать данные радиаторы в жилых помещениях.

В городских теплосетях всегда разные параметры рабочего давления теплоносителя, этот показатель необходимо учитывать при выборе радиатора, а также параметры испытательного давления. В загородных домах, в поселках с дачами теплоноситель практически всегда ниже 3 бар. а вот в городах централизованное отопление подается с давлением до 15 бар.