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 диапазоне температур для терморегулирования, а также ее совместимости с материалом радиатора. Прежде всего, рабочую жидкость необходимо подобрать так, 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 создания оболочки VVFTPR, чтобы выбрать материал-кандидат для первоначального прототипирования и определить потенциальные материалы для будущей конструкции. 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 потерь , 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 температурой в космосе», 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 трансформирующегося радиатора для терморегулирования пилотируемых космических аппаратов», Прикладная теплотехника, 2017 г.

Основы системы охлаждения — Keep It Cool

| How-To — Project Vehicles

Знайте, что нужно, чтобы ваш двигатель не перегорел.

Предполагая, что у вас нет проблем с настройкой, вызывающих перегрев автомобиля (слишком большое опережение зажигания, чрезмерно обедненная смесь, забитый выхлоп), существует пять основных факторов, влияющих на работу и эффективность системы охлаждения.

Производство тепла (БТЕ/л.с.)
БТЕ (британские тепловые единицы) определяют, сколько тепла производит двигатель. Одна лошадиная сила равна примерно 42,44 БТЕ. Около трети тепла, выделяемого двигателем, переходит в смесь охлаждающей жидкости и воды и должна рассеиваться радиатором. Когда вы пытаетесь рассчитать количество БТЕ, которое производит ваш двигатель, вам нужно учитывать только постоянно используемую мощность двигателя, а не его пиковую выходную мощность. Автомобилю, который много путешествует и непрерывно работает в своем диапазоне мощности в течение длительного периода времени, потребуется больше охлаждающей способности, чем прицепному шоу-кару или тому, который предназначен для легкого вождения.

Джим Уокер, владелец и основатель AutoRad, сказал нам следующее: «В основном то, сколько тепла двигатель вытесняет через водяную систему, определяет, сколько радиатора необходимо для его охлаждения. Мощность — это лишь один из многих факторов. двигатель LS мощностью 650 л. разработан».

Мощность радиатора (тепловыделение)
Мощность радиатора — это количество тепла, которое он может рассеять, а не количество хладагента, которое он удерживает. В наши дни о радиаторах нельзя судить только по физическим размерам из-за разных материалов, из которых они сделаны. В прошлом большинство радиаторов изготавливалось из меди из-за ее превосходных свойств рассеивания тепла. Недостаток заключался в том, что припой, используемый для сборки радиаторов, препятствовал способности меди рассеивать тепло. Появление алюминиевых радиаторов позволило перейти с труб шириной от 1/2 до 3/4 дюймов на трубы шириной от 1 до 1,5 дюймов и использовать двухходовые резервуары. Более широкие трубки имеют большую площадь поверхности, что позволяет увеличить рассеивание тепла.

Радиаторы с двойным проходом заставляют воду дважды проходить по длине радиатора, увеличивая величину перепада температуры, достижимую для радиатора данного размера. Недостатком двухходовых конструкций является ограничение потока охлаждающей жидкости более чем в два раза. Площадь поверхности является наиболее важным фактором при выборе радиаторов. Удвоение площади поверхности вашего радиатора в квадратном дюйме удвоит способность рассеивания тепла, в то время как удвоение толщины менее эффективно и ограничивает поток воздуха.

Другим фактором является наличие в автомобиле кондиционера и/или автоматической коробки передач или масляного радиатора двигателя. Типичный конденсатор кондиционера находится прямо перед радиатором и обменивается теплом с воздухом точно так же, как и тот, перед которым он стоит. Если у вас недостаточно мощности радиатора, то каждый раз, когда вы нажимаете кнопку кондиционера, ваша машина будет перегреваться.

Другими факторами, играющими роль в конструкции и функционировании радиатора, являются количество ребер на дюйм и конфигурация, то есть конструкция радиатора с нисходящим потоком (верхний бак) или поперечным потоком (боковой бак). Размер входа и выхода также играет важную роль.

Что касается радиаторов, Джим говорит: «Обычно размер радиатора определяется размером доступной площади. Если вы построите «самый большой» радиатор, из которого сможете попасть в нужное место, ошибиться довольно сложно. Это причина, по которой мы [AutoRad] строим собственные опоры ядра. Обычно мы можем предоставить радиатор гораздо большего размера, чем вы могли бы установить в стандартную опору ядра.0010

“В значительной степени доступное пространство будет определять, будет ли радиатор нисходящим или поперечным потоком. Воде все равно, течет ли она вверх и вниз или из стороны в сторону. Вам просто нужно следить за тем, чтобы трубы были покрыты водой. .Попадание воздушных карманов в систему водоснабжения может нанести большой ущерб.Вам нужна система рекуперации с поперечным радиатором.

“Люди всегда будут говорить об алюминии по сравнению с медью/латунью. Тот факт, что OEM-производители не использовали медно-латунные радиаторы в новых автомобилях в течение последних 30 лет, должен вам о чем-то говорить. Основной недостаток медно-латунных радиаторов заключается в использовании припоя для их соединения. Со временем припой разрушается между латунью и медью и препятствует передаче тепла от трубок к оребрению. Алюминиевые сердечники, с другой стороны, спаиваются в печи с инертным газом, и флюс соединяет все вместе». 0010

Воздушный поток
Воздушный поток является наиболее важным фактором в системе охлаждения и больше всего влияет на эффективность охлаждения радиатора. Скорость транспортного средства, будь то трамвай или гоночный автомобиль, является наиболее важным моментом при определении потока воздуха, необходимого для надлежащего охлаждения. Поддержание адекватного воздушного потока при различных скоростях движения автомобиля имеет решающее значение и является сложной задачей. Во-первых, к радиатору должен подаваться свежий воздух. Отверстие решетки или воздухозаборник могут иметь здесь решающее значение. В идеале он должен быть обращен прямо к ветру. У старых автомобилей передняя часть/решетка радиатора обычно не проблема, за исключением Corvettes. Размер отверстия решетки всегда должен быть пропорционален рабочей скорости автомобиля. Корветы C2 и C3 с большими блоками печально известны проблемами с охлаждением из-за меньшей площади передней поверхности, а также более тесных моторных отсеков.

Радиатор передает тепло охлаждающей жидкости более холодному воздуху, проходящему через ребра и трубки охлаждающей жидкости, или, проще говоря, сердцевине радиатора. Для правильной работы радиатора поток воздуха должен находиться под высоким давлением с передней стороны радиатора и с более низким давлением сзади. Этот перепад давления толкает воздух мимо ребер. Если в кожухе вентилятора или в моторном отсеке создается давление воздуха, а перепад давления уменьшается, поток воздуха через радиатор может замедлиться и «остановиться», подобно потоку воздуха над крылом самолета. При планировании системы охлаждения вашего автомобиля вы должны учитывать условия как холостого хода, так и круиза, а также то, как свежий воздух может эффективно подаваться к радиатору в обеих ситуациях.

“Электрические вентиляторы по сравнению с механическими вентиляторами/вентиляторами с муфтой на самом деле не представляют никакой сложности. Обычно существует два типа ситуаций перегрева. перегрев на холостом ходу/малой скорости, вам, вероятно, не хватает воздушного потока.Здесь электрический вентилятор работает, а «двигательный» вентилятор не работает.Тип и качество электрического вентилятора очень важны.Точные значения расхода воздуха в кубических футах в минуту имеют решающее значение. Чем больше воздуха вы можете пропустить через радиатор, тем больше тепла вы сможете рассеять».

Расход воды
Поток охлаждающей жидкости обычно является последним аспектом системы охлаждения, на который следует обратить внимание. По иронии судьбы, это также обычная причина проблем с перегревом. Типичный стандартный водяной насос имеет чрезмерный зазор и прямые лопасти рабочего колеса, обычно открытые спереди и сзади. При работе двигателя на низких оборотах это приводит к небольшому потоку охлаждающей жидкости и обычно является причиной перегрева автомобилей в движении на холостом ходу. При высоких оборотах такая конструкция вызывает кавитацию и аэрацию, что также может привести к уменьшению потока охлаждающей жидкости до уровня перегрева двигателя. Обычным пластырем для решения этой проблемы является запуск шкивов понижающей передачи, которые замедляют обороты водяного насоса / крыльчатки. В то время как проблема кавитации на высоких оборотах решена, это решение обычно способствует проблеме перегрева на низких оборотах, потому что водяной насос вращается недостаточно быстро. В случае водяного насоса с приводом от двигателя единственным выходом является вторичный насос гоночного типа с узкими зазорами и закрытой конструкцией рабочего колеса со стреловидными лопастями 9№ 0010

Электрические водяные насосы представляют собой высокоэффективное решение этих проблем, обладающее многочисленными преимуществами. Постоянная скорость электрического насоса устраняет проблемы кавитации при высоких оборотах и ​​проблемы с недостаточным потоком при низких оборотах. Дополнительным бонусом является возможность запуска насоса при выключенном двигателе, что особенно полезно в гоночных приложениях.

Третье преимущество заключается в устранении паразитных потерь мощности двигателя при отключении водяного насоса от коленчатого вала.

Насос и давление в системе
На каждый фунт давления в замкнутой системе охлаждения температура кипения повышается на 3 градуса. Например, правильно функционирующая крышка радиатора весом 16 фунтов может повысить температуру кипения до 260° F [(16 x 3) + 212 = 260]. Мы упоминаем о правильной работе, потому что старая или неисправная крышка радиатора может помешать вашей системе охлаждения создать достаточное давление для правильной работы.

Несмотря на то, что ваш указатель температуры может никогда не превысить 192 градуса, у вас могут быть горячие точки вокруг камеры сгорания, температура которых будет превышать точку кипения охлаждающей жидкости. Отсутствие давления в системе охлаждения позволяет преждевременно начать закипание. Газы, образующиеся при кипении охлаждающей жидкости, выталкивают воду и одновременно аэрируют охлаждающую жидкость, что ухудшает эффективность охлаждения.

Вода отводится вокруг этих паровых карманов, что приводит к более серьезным проблемам, таким как деформация поверхности, усталость металла и трещины. Как только начинается это преждевременное закипание, оно не остановится, пока двигатель находится под нагрузкой. Поток охлаждающей жидкости, температура и давление работают на минимизацию кипения в горячих точках, что может привести к образованию паровых карманов, изолирующих металлические поверхности двигателя от охлаждающей жидкости.

Чем большее давление производит водяной насос, тем меньше вероятность образования паровых карманов. Тот же самый закон точки кипения, упомянутый ранее, работает и здесь. Водяные насосы гоночного типа могут создавать давление в водяной рубашке свыше 30 фунтов на квадратный дюйм, чтобы свести к минимуму точки перегрева и уменьшить детонацию/преждевременное зажигание.

Охлаждающая жидкость
По словам Уокера, невозможно переоценить важность использования охлаждающей жидкости правильного типа для вашего радиатора.

«Для алюминиевых радиаторов используйте только подходящий антифриз.